22
小编语：在半导体厂商大呼市场不景气，PC 市场疲软，智能手机增长迟缓，宏观经济整体不确定性增强的背景下，晶圆代工市场总营收却仍一路看涨，2015 年最新数据还没公布，但这之前全球代工厂连续 3 年保持 16%的总营收增长，不管制程工艺是否能顺利向下一个节点演进，半导体厂商的代工需求仍然存在，而且半导体产业总市场容量仍在不断增长，如果英特尔要真的开放自己的晶圆厂来做代工我们也可以理解……
当有新处理器发布时，制造商都会大肆渲染自家产品的厉害之处。其中制程工艺是除了性能之外他们最注重的，比如更先进制程、更小的纳米等等。目前处理器主要分 PC 领域的 x86 架构以及移动数码领域的 ARM 架构。但是它们都有一个共同点，那就是注重制程工艺。我们以往介绍处理器的时候，一般都是一笔带过。今天我们就详细介绍下制程工艺以及各个半导体巨头的研发实力。
●关于制程工艺，你想知道的
目前制程已经发展到 nm（纳米）级别
我们知道谈一个 CPU 的制程工艺都用一个量化单位来形容或者对比。比如 Skylake 的 CPU 采用了 14nm 制程工艺、曾经引起巨大争议的苹果 A9 CPU 就采用了两种代工厂，一种是三星代工的 14nm 制程、另一种是台积电 16nm 制程。
制程是指 IC 内电路与电路之间的距离
可见，制程的单位是纳米（以前曾用过微米），我们天天说这个距离单位，但是这个距离单位的含义是什么呢？那就是指 IC 内电路与电路之间的距离。处理器内的微型电子元件（包括晶体管、电容器、电阻器等）躺在方形网格中充当着打开、关闭按钮。电子元件之间的距离就是用纳米来计算。我们都知道，一纳米等于十亿分之一米。电子元件彼此之间的距离越小，我们在芯片中放置的东西就越多。同时同样晶体管数目的 DIE 面积会降低。
所以，我们看到 Geforce GTX 680 虽然晶体管数目比 GTX 580 多，但是芯片面积却只有后者的一半多一点，这就是从 40nm 制程工艺大幅度进化到 28nm 的好处。
制程进化的好处：晶体管更多，核心面积更小
同时，制程工艺的进步也带来了理论上功耗的降低。相信大家都在问为什么了，那是因为提升制程，可缩小微处理器电子元件距离。将导致不同晶体管终端电流容量降低，这样就会提升他们的交换频率。每个晶体管在切换电子信号时，其所消耗的动态功耗直接与电流容量相关。所以，制程工艺提升（距离变短）了，同一频率下需求的电流容量降低，耗时也降低，这样晶体管就变得运行速度快、且能耗小。
臭名昭著的 Intel 90nm 制程
当然了，我们加了一个理论上的修饰词，因为只有在同等架构条件下才有这个区分。比如臭名昭著的 Intel 90nm 制程让 Prescott 架构处理器被贴上火炉的标签，相比 130nm 工艺不进则退。原因大家都知道了，就是 Intel 的优化不足，导致了电压在四方形中发生泄漏，比起平时花了更多的电压来激活通电，于是导致了功耗以及热量的提升。
按照这套乘法，晶体管单价会随着制程进化而降低，并且降价幅度越大
我们知道，芯片业界有一则著名的理论，那就是摩尔定律。与其说它与半导体技术息息相关，不如说它是一则经济理论。半导体巨头们为何这么喜欢研发更先进制程？微型电子元件越小，你在晶片所放置的元件就越多。如果你掌握了比同行更加先进的制程，那么在同一面积的晶圆中你就能切割更多数目更小体积的芯片。所以，芯片越小，大成本会越低。尽管更小工艺尺寸需要更多昂贵设备，但这些投资成本会被每个晶片成本所抵消。
说完了一大堆理论，大家明白了制程工艺了吗？下面，我们就简单介绍下各个半导体巨头关于制程工艺的研发实力。
●各大半导体巨头制程工艺发展近况（一）
●Intel
毫无疑问，Intel 是半导体工业的技术霸主，是先进制程技术的带头人。
十年来 Intel 高端 CPU 核心面积的变化
这些年来，Intel 一直坚持 Tick-Tock 发展模式，新工艺、新架构每年交替到来，从趋势曲线上也可以清晰地看出，每一次升级工艺，核心面积都会骤然缩小，之后再随着规模的扩大而增大，如此往复循环。
14nm 让 Intel 的 Tick-Tock 发展模式失效
我们知道，Intel 发展到 Haswell 后 Tick-Tock 发展模式就开始显得有名无实了，那是因为新工艺环节出了问题，也就是在 14nm 上碰了壁。
原本 2013 年见面的 14nm 制程拖到了 2014 年年底
14nm 制程工艺的 Skylake 四核处理器，可见 DIE 面积之小
按照 Intel 内部的预期，2013 年底或 2014 年初，14nm 工艺就能登场，结果因为工艺缺陷一拖再拖，直到 2014 年下半年才登场，而且是拖拖拉拉，最初只有超低功耗版本的 Core M 系列，然后是低功耗的 U 系列，进入 2015 年中了才算铺开，桌面上更是刚推出仅仅两款 K 版本应付了事。幸好，到了 2016 年的开头，14nm 终于伴随着全系列六代酷睿的推出，得到了被广泛认识的机会。
10nm 将会不断跳票？
至于 14nm 制程的继任者，10nm 制程，都不知道到猴年马月了。有意思的是，如果按照早些年的规划，10nm 2015 年底就该上场了，结果再次遭遇不幸，看来和 14nm 当初的境遇差不多。
AMD
在 K10 或者之前的时代，AMD 原本有自己的晶圆厂，直到 45nm 制程时代 AMD 都是自给自足的。但是半导体制造是高投资高技术高风险行业，需要大量投资，双线作战乏力的 AMD 之后就玩不起了，将晶圆厂与自身业务分离，随后获得了中东石油土豪阿联酋的阿布扎比投资公司的青睐，这才有了现在的 GlobalFoundries 公司，中文名叫格罗方德。
GlobalFoundries 公司
32nm 制程成为了 AMD CPU 的黑历史
AMD FX 家族成为了 GF 的牺牲品
不过，就是这个 GF，在推土机时代就狠狠地坑了 AMD 一把，加上 AMD 自身在高端 CPU 市场不给力，低性能、高发热，感人的火炉让 AMD 在高端市场全面溃败。不争气的“女朋友“，让 AMD 的 CPU 制作工艺一直停留在 32nm。幸好 GPU 部门早已看破一切，选择与台积电合作研发 40nm、28nm 制程以及下一代显卡的 1xnm 制程，才避过 GF 这个猪队友。
胎死腹中的 14nm XM
经过重新振作的 GlobalFoundries，这两年不断跟上业界的脚步，拥有 28nm、22nm SOI 及 14nm FinFET（鳍式场效应晶体管）工艺。但是雷声大、雨声小，22nm SOI 工艺量产不顺，自己研发的 14nm XM 工艺折腾了两年也给放弃了。
三星与 GF 达成了深度战略性合作关系，一定程度上解放了 AMD
GF 获得了三星的 14nm FinFET 工艺授权
幸好三星伸出了援手，让 GF 获得了三星的 14nm FinFET 工艺授权，过着寄人篱下的生活。如今三星的 14nm 工艺这都已经在苹果 6s 家族安家了（虽然后来带来了很大争议），而 GF 公司的 14nm FinFET 工艺将会在被誉为救世主的 Zen 架构中得到实践。相信有着移动数码领域的成功经验，这次 GF 不会再坑爹了吧！
NVIDIA
因为 NVIDIA 没有自己的晶圆厂，所以，即使你是老黄的忠实粉丝，请看台积电的条目吧！
●各大半导体巨头制程工艺发展近况（二）
●台积电
不黑不吹，无论是红色”核弹“还是绿色”核弹“，目前全世界的”核弹“都是从台积电（TSMC）出来的。
台积电
这句话代表了台积电在 GPU 领域的崇高地位。我们知道，为了获得更大的产能，并提高利润率，世界上两大显示技术厂商 NVIDIA 和 AMD 都采用了自主设计 GPU 芯片，外包给晶圆厂制造，并将芯片成品出售给授权的显卡生产商加工成显卡成品的商业模式。台积电，成为了他们最可靠的合作伙伴。
AMD GPU 与台积电的合作到 28nm 戛然而止
作为中国台湾最成功的企业，台积电无论产能还是良品率都是业内首屈一指的，尤其是活跃了 4 年之久的 28nm 制程，让 NVIDIA 获益甚多，Maxwell 成为性能功耗比的标兵，就是直接受益于 28nm 的极致优化；也让 AMD 直接摆脱了 GF 的坑队友。再数数台积电 28nm 的其他客户：苹果、博通、英飞凌、联发科、高通、瑞萨、三星电子、意法半导体、德州仪器……都不是省油的灯啊。
台积电代工的芯片巨头桃李满天下
在台积电 28nm 的巅峰时期，想找台积电用 28nm 生产线给你造点芯片可不容易，交货时间最长达到了 16 个星期，也就是在下单之后，最长你得等将近四个月才能拿到货……可见其火爆程度。
苹果 A8 处理器由台积电代工
不仅仅在 PC 领域的荣耀，台积电对苹果、高通等移动芯片商影响力巨大。比如，2014 年初，台积电抢先上马 20nm 工艺，并成功争取到苹果 A8 处理器全球唯一代工厂超级大单，使当年第四季度的净利润增长了近一倍。2015 年，Apple A9 的芯片门事件让台积电的 16nm FinFET 工艺一炮而红。
AMD 的推出，台积电在 GPU 只剩下 NVIDIA
如今，半导体进入了 FinFET 工艺时代。PC 领域，台积电也不再一家独大，虽然与 Intel 井水不犯河水，但是三星以及和三星联姻后的 GF 在 14nm FinFET 工艺异军突起，加上让台积电不再成为唯一选择。AMD 近期宣布了下一代 CPU 架构 Zen、GPU 架构“北极星”，并明确表示基于 GF 14nm 工艺制造。幸好保持了十多年合作关系的 NVIDIA 依然不离不弃，下一代的帕斯卡架构确定采用了台积电 16nm FinFET 工艺。
帕斯卡架构采用了台积电 16nm FinFET 工艺
不过由于台积电 16nm FinFET 工艺在 2015 年年初遭遇不顺，所以 NVIDIA 也只能将帕斯卡”犹抱琵琶半遮面“，我们甚少见到实物出现。经历多次教训后的 NVIDIA 也十分谨慎，表示今年上半年就会投入大规模量产，下半年才陆续发布。比以往同样 28nm 制程时代的显卡更替，间隔更长。
至于台积电的 2016 年，旗下的 10nm 将于今年第一季度流片，今年第四季度进入量产，此举将领先三星半年的时间，一举挽回 16nm 延期的颓势。让我们拭目以待。
三星
其实三星是半导体领域的霸主，为什么这么说呢？从 2015 年度全球半导体厂商产能排行看到，三星遥遥领先，平均月产能达 253.4 万块等效 200 毫米晶 圆，年增 8％，市场份额 15.5％。这时因为三星的半导体业务很丰富，涵盖了处理器、内存、闪存等不同类型，特别是后面两种产量巨大。不过篇幅限制，我们 只谈处理器的。
2015 年度全球半导体厂商产能排行
三星处理器靠 Exynos 移动处理器发家
一开始，三星研发的处理器都是自产自用的，随着三星 ARM 处理器名声越来越响，三星的工艺制程备受关注。目前，三星主打 14nm FinFET 工艺，基于 20nm 工艺平台而来，除了继续缩小栅极间距之外，晶体管首次从平面型转向三维立体型，并且是全耗尽式的(fully depleted)，还沿用了 20nm 上的可靠互连机制。
三星抢到了高通骁龙 820 的大订单
相比接连不顺的台积电 16nm FinFET 工艺，2015 年三星的 14nm FinFET 却非常顺利，使得三星抢回了苹果 A9 的订单，和台积电占半壁江山。高通也转而去找韩国巨头玩了，最新的骁龙 820 就是三星的 14nm FinFET 的最新力作。
14nm FinFET
除了原有的移动领域，三星的工艺制成更拓展到桌面领域。2014 年，三星就和 GlobalFoundries 深度合作，共同开发 14nm FinFET。这一举措直接改变了 GF 以及 AMD CPU 领域的命运，拨乱反正。2016 年，AMD 更是准备将全系列产品线全面转交给自己嫡系的 GF。
台积电与三星恩怨不断
有意思的是，三星和台积电在 FinFET 工艺时代还发生了摩擦。在 2015 年，前台积电主管梁孟松跳槽三星，后续法院证实三星非法从台积电获取了商业资料。之前在 FinFET 工艺方面，台积电一直领先于三星。但是当梁孟松进入三星的半导体部门之后，双方之间的工艺水准差被迅速抹平，三星也因此在争夺 A9 芯片订单中掌握了主动权。最后这事还是因为证据不足加上苹果 A9 处理器订单比例已分配而不了了之。
制程工艺的极限在哪里？
我们知道，目前最先进的制程就是 14nm。随着半导体工业追求的制程越来越先进，量级迟早会步入量子级别的，到时会出现量子效应，导致原子之间的相互影响。所谓的电路就不是单纯的电路了，其工作原理和常规物理电路完全不同，其中“量子遂穿”效应就是其中之一。
硅迟早迎来末日？
其实大家不用考虑那么多，反正就是为了说明一个半导体工业恐惧的事实：CPU 的制程极限是 1nm。当线宽大概在 1nm 量级的时候，电子无法用经典图像描述。此时，CPU 必须放弃使用硅做半导体了。
碳纳米管结构示意图：单个原子层卷起形成，相当于人类头发宽度的千分之一
即使硅工艺快将走到尽头，未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置，并使摩尔定律继续延续下去。事实上，硅的替代材料还有多种，如 IBM 致力研究的碳纳米管等。
HBM 技术会用到 CPU 吗？
此外也可以另辟蹊径，在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量。比如 2.5D、3D 堆叠等方案，目前在 SSD 3D NAND、HBM 显存等已有成功应用。不过，发热问题得要好好想想。在未来甚至还可能有光子计算、量子计算、DNA 计算等颠覆摩尔定律的超级计算机出现。
也许这种高技术离我们很远，我们不需要担心，因为有人已经帮我们担心、帮我们摸索解决这个担心的办法。希望如此。
下载ECAD模型
