又到半导体制程升级年——细说Intel与Samsung的14nm技术
《中无通讯》第70期 文︰ 世界网络 www.linkwan.com 林和安 小洛夫
根据ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)的发展蓝图，今年是半导体界导入14nm制程的一年，维持每两年一代的技术进步。首推14nm制程的荣誉一如以往由半导体界的龙头Intel取得。不过Intel的强势的背后，市场竞争却出现转变。首先是Intel在14nm的对手已经由AMD变成Samsung及Globalfoundries联盟，甚至是TSMC在发展中的16nm制程，即俗称的半代工艺升级。另一是首批应用到14nm的CPU皆属于Mobile而非Desktop传统追求高性能的领域，反映市场环境的改变。
ITRS的发展蓝图︰
年份 制程
1971 10μm
1974 6μm
1977 3μm
1982 1.5μm
1985 1μm
1989 800nm
1994 600nm
1995 350nm
1997 250nm
1999 180nm
2001 130nm
2004 90nm
2006 65nm
2008 45nm
2010 32nm
2012 22nm
2014 14nm
2016 10nm
2018 7nm
2020 5nm
* 红色代表未推出
Intel 14nm技术先拔头筹
从22nm进入14nm制程，最直接的效用是晶体管尺寸的缩小外。据Intel在今年8月8日公布的14nm制程详情。Intel 14nm制程比22nm，Transistor Fin Pitch从60nm缩至42nm，减少30%；Transistor Gate Pitch从90nm缩至70nm，减少22%，最后是Interconnect Pitch从80nm缩至52nm，减少35%。同样的SRAM存储器电路，22nm时为0.108um2，14nm时为0.0588um2，差不多是原来的一半左右，十分显著。
在Interconnects方面，22nm时为80nm，14nm只要52nm。
第二代Tri-gate晶体管进一步增加密度
Tri-gate又称3D晶体管技术，最大的好处是比传统的晶体管可以几何级数增加晶体管的数目，此项技术由Intel最先于22nm制程时导引，目前各家厂商已在开发类似的产品，所以Intel在推出14nm的同时导入了第二代Tri-gate晶体管技术。
第二代Tri-gate大大改进了Transistor Fin构造。除了上述Transistor Fin Pitch从60nm缩至42nm外，其高度也从34nm增至42nm，可增加drive current及效能，最终使Transistor Fin的数目得以减少，可增加芯片的密度，降低电容值等等。
按照Intel的计划，今年内位于美国Oregon及Arizona州的工厂会率先导入14nm，明年会加入Ireland的工厂，并实现明年第一季大量出货的目标。
在Intel示范中，在22nm时需要3根Transistor Fin达到的功能，因为有第二代Tri-gate，只要2根即可。
14nm的Pentium-M移动处理器
上述14nm技术的优点主要属于理论性的，它应用在产品的表现又如何呢？以下即以Intel首颗14nm Pentium-M来作说明。如无意外的，代号Broadwell的14nm Pentium-M也是今年内唯一的Intel 14nm CPU，因为早于去年Intel已经表示，在2014年不会在Desktop平台推出14nm CPU。这多少与Desktop市场出现萎缩，用家升级周期延长有关。Broadwell发表在9月5日的德国柏林IFA展期中，Intel表示采用Broadwell的产品将于圣诞假期先行上市，而于明年大量上市。
据Intel表示，Broadwell与现在的Haswell-Y比较，可以降低2倍的TDP功耗，其较低的功耗使2-in1笔记本计算机只用少于9mm的无风扇散热方案。而在尺寸方面，Broadwell的芯片连封装尺寸只是上一代的50%，厚度减少30%，芯片闲置Idle功耗比原来少60%，可有效增加电池使用时间。
22nm(左)与14nm(右) Pentium-M SOC封装的比较。拜新技术所赐，封装面积仅有原来的50%。
害怕对手Intel强调产品优势
Intel在谈到14nm技术特点之余，罕有地与竞争对手14nm制程作出比较。据Intel表示，竞争对手一般在Intel之后推出新制程，以更佳的性能作为卖点。而在14nm上，Intel一推出即取得比竞争对手未推出的14nm制程较高的密度。这是因为Intel是Fin FET技术的先行者，目前已推出第二代Tri-gate技术，所以能够提供较高的密度。
笔者认为，Intel作为半导体的龙头大家，向来不会把竞争对手的产品放在眼内，除非产品面对威胁，否则很少会主动与竞争对手的产品作比较。印象中Intel上次在受对AMD Athlon 64处理器威胁时，也主动发布Core 2处理器与Athlon 64处理器。在这次14nm，Intel一反常态主动比较了与竞争对手的14nm，可见竞争对手成功给予Intel一定的压力。因为上一代22nm制程时，竞争对手接近2年都没有同级产品登场，反观这次的14nm制程可能不到半年即面对竞争对手产品的威胁，Intel优势大大收窄。
面对竞争对手亦步亦趋，Intel强调其14nm制程在密度上如何领先对手。
Samsung与Globalfoundries联盟的14nm
除了Intel的14nm外，近年在半导体市场十分积极的Samsung也找来Globalfoundries合作关发14nm制程，预计在2015年左右推出相关CPU产品。由于Globalfoundries的前身是由AMD分拆出去的CPU生产部门，所以有AMD与Intel之争的延续，代表AMD重新回到有力竞争Intel的位置。说到Globalfoundries近来的可说是命途多舛，独立后整合多家半导体工厂如新加坡的特许半导体而锐意打造成为像TSMC的专业代工厂。此后致力于为客户提供更多制程选择而非专注于最新制程技术发展，比如先后推出了28nm及20nm这些过去AMD不愿意开发的半代制程(原先应该为22nm)。如果一直顺利的话，AMD将于2015年左右采用14nm制的第4代APU产品，较现时第3代APU的28nm制程差不多一次过升级了两代产品。
Samsung与Globalfoundries联盟的14nm已从现有的Planar架构进化为3D、FinFET架构。
Samsung的S2 Fab, S3 Fab及S1 Fab，Globalfoundries的Fab 8，将会负责生产14nm晶圆。
先后推出14LPE及14LPP
Samsung及Globalfoundries公布14nm资料较Intel为少，仅表示会采用FET技术，而且会提升Transistor Fin的高度，与Intel的第二代Tri-gate技术做法相似。
另外，还会采用更进取的gate pitch、更小的存储器方案以及创新的layout schemes以容纳更复杂的逻辑电路等等。
对于14nm，Samsung联盟表示会先推出14LPE版本，随后会推出加强版本14LPP，特点是有更高的效能，更减的低功耗等等。性能表现方面，联盟表示第一版的14LPE可以比20nm达成20%效能提升、降低35%功耗，以及缩小15%面积等等。
Samsung联盟会先后推出14LPE及14LPP两个版本。
TSMC 16nm成另类选择
TSMC一向喜欢以半代制程为市场提供另类的选择，以降低技术风险及开发时程。在这次14nm制程也不例外，于今年9月25日，宣布成功为海思半导体有限公司生产出16nm FinFET ARM CPU，可见其与客户的紧密合作关系，确保新技术得到市场上最大的支持。
对于16nm FinFET制程，TSMC同样没有透露太多技术细节，反而更多着眼于新技术带来的好处。据TSMC方面表示，其16nm FinFET制程可显著提升速度，降低功率及漏电流等等。与现时TSMC的28nm HPM制程相比，新技术的芯片闸密度增加两倍，在相同功耗下速度增快逾40%，或在相同速度下功耗降低逾60%。而海思半导体有限公司则表示，采用TSMC 16nm FinFET制程的ARM Cortex-A57核心工作时间可达2.6GHz，可见比现时28nm的ARM Cortex-A57核心的2.0GHz增加了一定的主频，为用家带来更高的性能。
结论︰用家更关心成品
最后，笔者认为单单比较各家14/16nm制程的长短不会有太大的意义，反而是采用该技术生产产品性能的好坏，才最吸引用家。这方面最成功的是TSMC，近年发布新产品均能与客户紧密合作，其次是Intel，因为Intel的工厂主要为Intel自家的产品服务。考虑到成本等等的因素，明年手机及平板计算机主流产品应该还是28nm制程，而笔记本计算机因为为Intel所垄断，采用那一款制程主要视乎Intel的出货意愿。
然而随着14nm制程的登场，预计明年将有更多高性能的移动处理器发布，如3GHz手机CPU，或是8核心的64bit手机CPU都不是梦。