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你追我赶的英特尔和台积电

晰数塔互联网快讯
2019-10-12 13:20

编者按：本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者张健keya，36氪经授权发布。

集成电路刚被发明出来的时候，当时的特征尺寸大概是10μm（10000nm），之后逐步缩小到了5μm、3μm、1μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm，发展至今，台积电已经开始量产7nm+（采用EUV的7nm）的芯片了，明年还将量产5nm的。在这个过程当中，制程共经历了20几代变革，未来几年，3nm、2nm芯片也将实现量产。从5μm到5nm，实现了1000倍的变化，大概经历了40多年的时间。

你追我赶的英特尔和台积电

人的头发横截面直径大概是80μm，以采用28nm制程工艺的SRAM为例，可以在头发的横截面上放20735个这个样的SRAM单元，随着微缩技术的发展，在直径为80μm的横截面上，可以容纳越来越多的SRAM单元了。这主要是由光刻工艺及其技术演进实现的。

然而，随着特征尺寸的不断微缩，逐渐达到了半导体制造设备和制程工艺的极限，眼下，集成电路的晶体管数量，以及功耗和性能已经很难像过去40年那样，几乎一直在顺畅地呈现出线性的发展态势（也就是按照摩尔定律演进），而且，不但工艺难度越来越大，成本也高得吓人，能够提供10nm及更先进制程工艺芯片制造的厂商只剩下台积电、三星和英特尔这三家。

在这三家中，真正引领摩尔定律向前演进的还是英特尔和台积电这两强，这两家公司一直是摩尔定律的支持者，台积电更是认为，半导体制程工艺可以按照摩尔定律，演进到0.1nm。而在这两强当中，台积电后来居上，在最近5年左右的时间里，在半导体制程工艺上一直压英特尔一头，不过，台积电成立于1987年，而英特尔成立于1968年，且摩尔定律就是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的。

因此，真正伴随芯片制造和摩尔定律从诞生，到发展壮大，再到如今的缓慢前行，就是英特尔了，通过该公司的芯片发展历程，以及制程节点的演进和晶体管数量的提升，可以对半导体工艺和摩尔定律的发展有一个直观和系统的认识。

从第一款商用处理器到10nm芯片

1965年4月，《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表了戈登·摩尔（时任仙童半导体公司工程师）撰写的文章〈让集成电路填满更多的组件〉，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍，这也就是摩尔定律的雏形。

1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”，而普遍流行的说法是“每18个月增加一倍”。但1997年9月，摩尔在接受一次采访时声明，他从来没有说过“每18个月增加一倍”。

1968年，也就是摩尔提出摩尔定律最初版本后三年，他与朋友联合创立了英特尔公司，该公司最初是以设计和生产存储器为主，后来根据应用和市场发展趋势，逐步将业务重心转移到了处理器上。

1971年，英特尔发布了世界第一块商用微处理器4004，当时采用的是10μm制程工艺，使得该芯片上集成了2250个晶体管。

1979年，该公司又推出了处理器8086，采用了3μm制程工艺，使得该芯片上集成了29000个晶体管，较10μm工艺有了10几倍的提升，这也是摩尔定律演进的首次价值体现。

1982年，英特尔推出了80286，采用1.5μm制程，晶体管数量达到了134000个。

1985年，该公司推出了著名的386系列处理器，将制程工艺节点提升到了1μm，这使得晶体管数量又猛增到275000个，与3μm相比，又提升了近10倍。

1989年，英特尔推出了486系列处理器，采用0.8μm制程，使得晶体管数量达到120万个。

1993年，该公司推出了首款奔腾处理器，采用0.8μm制程，晶体管数量则提升到了310万个。

1995年，推出了奔腾Pro，将制程工艺节点演进到了0.6μm~0.35μm，从而使得晶体管数量达到了550万个。

2000年，该公司又推出了奔腾4系列处理器，采用了0.18μm制程，晶体管数量达到4200万个。

2006年，推出了酷睿系列处理器，采用了65nm制程，晶体管数量突破了1亿，达到1.51亿个。

2010年，英特尔又推出了酷睿i7-980x，采用了32nm制程，晶体管数量突破了10亿，达到11.7亿个.

2015年，推出了酷睿i7-4960x处理器，采用了22nm制程，使得晶体管数量提升到了18.6亿个。

发展到最近两三年，英特尔处理器则以14nm为主要制程。

从2007年开始，英特尔在制程方面，进入了著名的“Tick-Tock”节奏，“Tick”代表制程工艺提升，而“Tock”代表工艺不变，芯片核心架构升级。一个“Tick-Tock”代表完整的芯片发展周期，耗时两年。

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按照Tick-tock节奏，英特尔可以跟上摩尔定律的演进，大约每24个月可以让晶体管数量翻一番。2015年，该公司宣布采用“架构、制程、优化” (APO，Architecture Process Optimization)的三步走战略。这意味着每36个月，晶体管数量才会翻一番。

自2015年至今，英特尔已在14nm制程节点处停留约4年时间，从Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、CoffeeLake（14nm++），一直在更新14nm制程。其10nm原计划于2016年推出，但经历了多次推迟，直到今年才实现量产。

台积电后来居上

与英特尔类似，台积电跟随摩尔定律的脚步一刻也没有停歇，而且，台积电凭借晶圆代工业务后来居上，赢得了智能手机时代苹果、高通、华为海思等大客户。台积电于2015下半年量产 16nm FinFET工艺，这与英特尔的14nm量产时间基本同步。此后4年，英特尔反复升级14nm节点，10nm经历多次跳票。而台积电则于2017年量产10nm工艺，并于2018年率先推出7nm工艺，从而在紧跟摩尔定律步伐方面，开始领先于英特尔。而英特尔10nm制程一再推迟，后段采用多重四图案曝光（SAQP）良率较低可能是主要原因。

7nm方面，EUV是未来更先进制程不可或缺的工具，英特尔采用EUV双重曝光技术已有提前布局，仍有望按原定计划量产，由于英特尔7nm节点不再面临SAQP四重曝光技术难题，而是EUV双重曝光，有望按原计划，于2020年量产。

而从晶体管密度、栅极间距、栅极长度等指标来看，英特尔的14nm、10nm节点则要优于台积电，2014年，英特尔发布的14nm节点，每平方毫米3750万个晶体管，台积电16nm节点约为每平方毫米2900万个晶体管。英特尔14nm节点栅极长度24nm，优于台积电的33nm。10nm方面，英特尔的晶体管密度为每平方毫米1.008亿个，台积电10nm节点晶体管密度为每平方毫米4810万个。

目前来看，台积电略占上风，未来发展，关键要看英特尔10nm量产进度。就目前已发布的技术信息来看，英特尔持续更新的14nm与台积电的10nm处于同一量级，台积电已量产的7nm制程显著优于英特尔14nm的。可见，台积电在量产时间上略占上风，而实际技术储备差别不大。