近日一篇〈台积电真的超越英特尔?大客户这样吐槽……〉讨论台积电、三星的技术节点数字恐怕做过美化的问题引起不小的关注,这样的问题其实在先前即为半导体业界所持续论战,并在苹果A9芯片门事件,iPhone 6s A9处理器分由台积电、三星代工时讨论来到最高峰,以实际情况而言,台积电、三星工艺技术真的跟英特尔差很大?

半导体三雄纳米工艺到底在争什么?

台积电、三星与英特尔的先进工艺竞赛打得火热,在目前14/16 纳米之后,工艺战一路来到了10 纳米。这些数字背后的意义其实指的是「线宽」,精确一点而言,就是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极长度(Gate Length)。

场效电晶体用闸极来控制电流的通过与否,以代表0 或1 的数位讯号,也是整个结构中最细微、复杂的关键,当闸极可以缩小,电晶体体积也能跟着缩小,一来切换速度得以提升,每个芯片能塞入更多电晶体或缩小芯片体积;再者,当闸极长度愈小,闸极下方电子通道愈窄,之间的转换效率提升、能量的耗损也能降低,收减少耗电量之效,但当闸极太薄,源极与汲极距离愈靠近,电子也可能不小心偷溜过去产生漏电流,加以也有推动力不足的问题,这也是为何工艺微缩难度愈来愈高;台积、英特尔与三星群雄间争的你死我活的原因。

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三者14/16 工艺节点数字都灌水?

包含半导体芯片和系统还原工程与分析厂商ChipWorks、Techinsights 与半导体分析厂商Linley Group 都对台积电、三星、英特尔16/14 纳米做过比较。

从Linley Group 与Techinsights 实际分析的结果,包含英特尔、台积电与三星在14/16 纳米实际线宽其实都没达到其所称的工艺数字,根据两者的数据,台积电16 纳米工艺实际测量最小线宽是33 纳米,16 纳米FinFET Plus 线宽则为30 纳米,三星第一代14 纳米是30 纳米,14 纳米FinFET 是20 纳米,英特尔14 纳米工艺在两家机构测量结果分别为20 纳米跟24 纳米。

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英特尔技术真的依然狠甩台积、三星?

调研The Linley Group 创办人暨首席分析师Linley Gwennap,在2016 年3 月接受半导体专业期刊EETimes 采访时,也透露了晶圆代工厂间工艺的魔幻数字秘密,Gwennap 指出,传统表示工艺节点的测量标准是看闸极长度,但在行销的努力下,节点名称不再与实际闸极长度相符合,不过,差距也不会太大,Gwennap 即言,三星的14 纳米约略等于英特尔的20 纳米。Gwennap 认为,台积电与三星目前的工艺节点仍落后于英特尔,以三星而言,14 纳米工艺称作17 纳米会较佳,而台积电16 工艺其实差不多是19 纳米。

但美国知名财经部落格The Motley Fool 技术专栏作家Ashraf Eassa 从电子显微镜图来看,认为英特尔、三星甚至台积电在三者14/16 纳米工艺差距或许不大。Ashraf Eassa 对比英特尔14 与22 纳米,以及三星14 纳米的电子显微镜图,其指出,英特尔14 纳米侧壁的斜率要比22 纳米垂直,根据官方的说法,这能使英特尔的散热鳍片(fin)更高更瘦,以提升效能。

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而三星14 纳米工艺电子显微镜图相较起来,和英特尔14 纳米工艺还比较相近,加以Ashraf Eassa 用台积电宣称16 纳米FinFET Plus 能比三星最佳的14 纳米技术在相同功率下,效能能比三星提升10% 来推测,台积电16 纳米FinFET Plus 的晶体管结构应与三星相差不远,甚至鳍片(fin)会更加细长。

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然而,线宽并非衡量半导体工艺的唯一条件,也并非半导体厂技术能力的唯一评定标准。

就像调研International Business Strategies(IBS)创办人暨执行长Handel Jones 所言,没有一项单一的测量方式就能评定技术的效能、功耗以及电晶体密度。Jones 进一步指出, M1 金属层间距是重要的,但局部互连(local interconnect)也可能影响芯片闸的密度与效能,闸极间距对闸极密度重要,但散热鳍片(fin)对性能影响同样甚巨。

另外,耗电量的不只是闸极长度而已,包括:材料种类、元件结构、工艺品质等等都会有影响。也因此,分析师们对英特尔、台积电、三星工艺技术孰优孰劣仍是莫衷一是。Gwennap认为,如同14纳米工艺,英特尔10纳米工艺同样会优于台积电和三星;Jones觉得英特尔与台积电到了10纳米工艺效能应能旗鼓相当;VLSI Research执行长G. Dan Hutcheson则语带保留指出,台积电10纳米将大幅超越英特尔14纳米节点,但其也称英特尔14纳米节点目前维持了两年,台积电已发展到10纳米与7纳米计画,正以比其他厂商都还要快的速度在前进。

从几位分析师的说法,可以看出英特尔在技术上仍有所领先,但领先的幅度已慢慢缩小,而对客户而言,看的更不仅仅是技术领先与否,包含良率、耗电量等因素都在考量范围之内,而非只有工艺一项因素而已。如果光从数字就可评断,那在先前苹果A9 芯片门事件也不会因此而闹得沸沸扬扬了,毕竟三星的工艺数字是优于台积电。

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