半導體製程怎麼命名比較好?Intel:遵照摩爾定律走就對了

半導體製程怎麼命名比較好?Intel:遵照摩爾定律走就對了

一般來說,半導體製程的命名邏輯是製程越低就越先進,但就因為這個先入為主的刻板印象,讓有些晶圓廠喜歡在製程的命名上大做文章。Intel對此提出了自己的觀點,表示在導入FinFET之後,靠電晶體密度來命名更能反映真實情況。

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製程節點與半導體尺寸脫節

大家常常拿Intel的製程開玩笑,說如果你想得知今年是西元幾年的話,千萬別問現在Intel的製程是多少,因為答案一定是14nm。不過隨著代號為Tiger Lake的第11代Core處理器推出,Intel也正式進入10nm世代。

為了要讓大家更瞭解製程推進背後的含意,Intel在台灣架構日活動中,邀請新竹辦公室總經理謝承儒為大家解說Intel製程的命名邏輯。

在過往製程的命名方式是依據電晶體的閘極長度(Gate Length)而定,這個數據某種程度能代表電晶體的實際尺寸。當電晶體尺寸越小代表越省電,也可以在單位面積中塞入更多電晶體,讓晶片達到更高運算效能,但閘極長度縮小也代表更難控制電流的流動。

為了在固定的尺寸中增加閘極長度,加州大學伯克利分校胡正明教授於1998提出FinFET(鰭式場效電晶體)技術,透過立體結構的閘極在有限尺寸中延長閘極長度,Intel也於2011年完成商用實作。其概念可以參考下圖。

然而FinFET的閘極長度與電晶體的實際尺寸脫勾,導致使用傳統命名方式已經不能適切反映電晶體特性。

謝承儒在台灣架構日活動說明Intel製程的命名邏輯。

過去製程是以電晶體閘極長度命名,但隨著製程精進,這種命名方式已經無法反映電晶體特性。

圖中左方為傳統電晶體,中央為FinFET電晶體(閘極具有1組鰭片),右方為Intel新推出的Super FinFET電晶體(閘極具有多組鰭片)。

將圖片放大來看,可以看到傳統電晶體與FinFET電晶體中央的黃線部分即為閘極長度。在相同電晶體尺寸下FinFET電晶體立體結構讓閘極與源極可以有3個接觸面,而能延長長度。

摩爾定律不死,還在引領半導體業

由於原本製程的命名方式參考閘極長度,當閘極長度越小,代表著同樣面積的晶片可以裝入更多電晶體,於是Intel就決定FinFET結構的晶片中,以電晶體密度作為製程命名方式的依據。

假設前代晶片在長、寬各為1單位的尺寸中容納固定數量的電晶體,那麼在下代晶片中,在長、寬各為0.7單位尺寸(面積約為一半)裝入等量電晶體,就代表著電晶體密度成長2倍。

有趣的是,這種命名方式也呼應了Intel共同創辦人Gordon Moore所提出的摩爾定律(晶片上的電晶體數目每隔2年會增加1倍)。

從下方表格中可以看出,以90nm製程節點來看,下一代製程就是65nm(90 x 0.7 = 63,取近似的65),再下一代則為45 nm(65 x 0.7 = 45.5,以下依此類推),而各代間的電晶體密度成長幅度也與2倍接近,可以說發展趨勢與摩爾定律相當接近。

回顧Intel在2019年就正式推出10nm製程產品,Tiger Lake處理器則是將FinFET結構推升為Super FinFET,再次強化晶片的電氣特性,官方表示能夠在「不推進製程節點」的情況下帶來20%效能提升。而未來Intel也會導入Nanoribbon結構進一步增加閘極長度,以縮小電晶體尺寸並增加密度。

Gordon Moore於1965年提出摩爾定律,至今仍準確預估晶片上的電晶體數目每隔2年會增加1倍的發展趨勢。

從Intel對於製程的命名方式來看,可以看出以電晶體密度成長1倍為進入下1個節點的依據,而下1個節點名稱的數值則為原本節點的0.7倍。

Intel在2019年就推出10nm FinFET晶片,2020年雖然沒有推進製程節點,但導入Super FinFET結構強化效能表現約20%。

雖然許多其他晶圓廠有著「名稱更加響亮」的製程命名方式,但Intel仍可保持電晶體密度的優勢。

Nanoribbon結構讓閘極的4面都能接觸源極,能夠強化電氣特性,有助於縮小電晶體尺寸。

摩爾定律先決的策略核心

Intel在台灣架構日的新聞稿指出,公司的發展策略仍圍繞摩爾定律,面對「微縮製程逐漸面臨到物理極限挑戰,摩爾定律是否不再適用?」這類市場疑問,Intel表示將持續深耕先進製程開發,並導入更多不同尖端技術,致力於家用、商用、高效能運算等不同市場推出最適合的產品,以實際行動破除市場疑慮。

由於台灣架構日的時間恰好是NVIDIA宣佈收購Arm的隔天,因此大家都對AI運算、超級電腦等業界重新洗牌的狀況感到好奇。筆者也對此提出疑問,雖然Intel一直在處理器(CPU)領域保持領導地位,但在繪圖處理器(GPU)領域卻始終走得跌跌撞撞,而NVIDIA原本就有著繪圖處理器技術領先,因此在AI運算方面有著極大優勢,現在聯合Arm之後,Intel該如何突破對手「打群架」的包圍。

Intel台灣分公司發言人鄭智成對此回應,以他在Intel工作20餘年的經驗來看,Intel在過確實在繪圖處理器部份落後對手許多,但這次推出的Xe繪圖處理器則是「玩真的」,而且已經可以在Tiger Lake中看到Xe LP實際應用,至於更高階的Xe HP,則可透過EMIB封裝技術將多組運算單元(Tile)核心整合於單一封裝中,提升AI運算等情境效能表現。

此外Intel也提出下列「6大創新支柱」

1. 製程與封裝(如Super FinFET、Nanoribbon、EMIB)
2. 各類處理器(XPU)架構(如CPU、GPU、FPGA)
3. 記憶體(如Rambo Cache、Optane、3D XPoint)
4. 互連架構(如Compute Express Link)
5. 安全性(如Intel Control–Flow Enforcement Technology)
6. 軟體(如oneAPI)

提供完整的硬體、軟體環境與生態系統,持續滿足市場上各類運算的需求,以維持自身的競爭力。

鄭智成充滿信心地表示Intel的Xe繪圖處理器將會在高效能運算市場中搶佔一席之地,目前已經獲得美國能源部阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的訂單,將於2021年末開始交付產品。

Intel的6大創新支柱包括製程與封裝、各類處理器(XPU)架構、記憶體、互連架構、安全性、軟體。

Xe繪圖處理器可細分為多種不同等級。

其中負責高效能運算的Xe HP將可透過EMIB於單一封裝中整合多組運算單元,提供更強大的運算效能。

EMIB可以於將多種晶片整合於單一封裝,提高晶片設計的彈性。

對於NVIDIA收購Arm這場大戲,Intel看來早有準備,並具有十足正面迎戰的信心,後續發展值得大家關注。

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