解析英特爾、台積電、三星 14/16 奈米的魔幻數字,三者製程真的差很大?

作者 | 發布日期 2016 年 07 月 25 日 13:28 | 分類 晶片 follow us in feedly
取自美聯社

近日合作媒體《天下雜誌》一篇〈台積電真的超越英特爾?大客戶這樣吐槽……〉討論台積電、三星的技術節點數字恐怕做過美化的問題引起不小的關注,這樣的問題其實在先前即為半導體業界所持續論戰,並在蘋果 A9 晶片門事件,iPhone 6s A9 處理器分由台積電、三星代工時討論來到最高峰,以實際情況而言,台積電、三星製程技術真的跟英特爾差很大?



半導體三雄奈米製程到底在爭什麼?

台積電、三星與英特爾的先進製程競賽打得火熱,在目前 14/16 奈米之後,製程戰一路來到了 10 奈米。這些數字背後的意義其實指的是「線寬」,精確一點而言,就是金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的閘極長度(Gate Length)。

場效電晶體用閘極來控制電流的通過與否,以代表 0 或 1 的數位訊號,也是整個結構中最細微、複雜的關鍵,當閘極可以縮小,電晶體體積也能跟著縮小,一來切換速度得以提升,每個晶片能塞入更多電晶體或縮小晶片體積;再者,當閘極長度愈小,閘極下方電子通道愈窄,之間的轉換效率提升、能量的耗損也能降低,收減少耗電量之效,但當閘極太薄,源極與汲極距離愈靠近,電子也可能不小心偷溜過去產生漏電流,加以也有推動力不足的問題,這也是為何製程微縮難度愈來愈高;台積、英特爾與三星群雄間爭的你死我活的原因。

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(Source:Hightech 科技台灣

三者 14/16 製程節點數字都灌水?

包含半導體晶片和系統還原工程與分析廠商 ChipWorks、Techinsights 與半導體分析廠商 Linley Group 都對台積電、三星、英特爾 16/14 奈米做過比較。

從 Linley Group 與 Techinsights 實際分析的結果,包含英特爾、台積電與三星在 14/16 奈米實際線寬其實都沒達到其所稱的製程數字,根據兩者的數據,台積電 16 奈米製程實際測量最小線寬是 33 奈米,16 奈米 FinFET Plus 線寬則為 30 奈米,三星第一代 14 奈米是 30 奈米,14 奈米 FinFET 是 20 奈米,英特爾 14 奈米製程在兩家機構測量結果分別為 20 奈米跟 24 奈米。

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(Source:Linley Group)

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(Source:Techinsights)

英特爾技術真的依然狠甩台積、三星?

調研 The Linley Group 創辦人暨首席分析師 Linley Gwennap,在 2016 年 3 月接受半導體專業期刊 EETimes 採訪時,也透露了晶圓代工廠間製程的魔幻數字秘密,Gwennap 指出,傳統表示製程節點的測量標準是看閘極長度,但在行銷的努力下,節點名稱不再與實際閘極長度相符合,不過,差距也不會太大,Gwennap 即言,三星的 14 奈米約略等於英特爾的 20 奈米。Gwennap 認為,台積電與三星目前的製程節點仍落後於英特爾,以三星而言,14 奈米製程稱作 17 奈米會較佳,而台積電 16 製程其實差不多是 19 奈米。

但美國知名財經部落格 The Motley Fool 技術專欄作家 Ashraf Eassa 從電子顯微鏡圖來看,認為英特爾、三星甚至台積電在三者 14/16 奈米製程差距或許不大。Ashraf Eassa 對比英特爾 14 與 22 奈米,以及三星 14 奈米的電子顯微鏡圖,其指出,英特爾 14 奈米側壁的斜率要比 22 奈米垂直,根據官方的說法,這能使英特爾的散熱鰭片(fin)更高更瘦,以提升效能。

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(Source:The Motley Fool)

而三星 14 奈米製程電子顯微鏡圖相較起來,和英特爾 14 奈米製程還比較相近,加以 Ashraf Eassa 用台積電宣稱 16 奈米 FinFET Plus 能比三星最佳的 14 奈米技術在相同功率下,效能能比三星提升 10% 來推測,台積電 16 奈米 FinFET Plus 的晶體管結構應與三星相差不遠,甚至鰭片(fin)會更加細長。

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(Source:The Motley Fool)

然而,線寬並非衡量半導體製程的唯一條件,也並非半導體廠技術能力的唯一評定標準。

就像調研 International Business Strategies(IBS)創辦人暨執行長 Handel Jones 所言,沒有一項單一的測量方式就能評定技術的效能、功耗以及電晶體密度。Jones 進一步指出, M1 金屬層間距是重要的,但局部互連(local interconnect)也可能影響晶片閘的密度與效能,閘極間距對閘極密度重要,但散熱鰭片(fin)對性能影響同樣甚鉅。

另外,耗電量的不只是閘極長度而已,包括:材料種類、元件結構、製程品質等等都會有影響。也因此,分析師們對英特爾、台積電、三星製程技術孰優孰劣仍是莫衷一是。Gwennap 認為,如同 14 奈米製程,英特爾 10 奈米製程同樣會優於台積電和三星;Jones 覺得英特爾與台積電到了 10 奈米製程效能應能旗鼓相當;VLSI Research 執行長 G. Dan Hutcheson 則語帶保留指出,台積電 10 奈米將大幅超越英特爾 14 奈米節點,但其也稱英特爾 14 奈米節點目前維持了兩年,台積電已發展到 10 奈米與 7 奈米計畫,正以比其他廠商都還要快的速度在前進。

從幾位分析師的說法,可以看出英特爾在技術上仍有所領先,但領先的幅度已慢慢縮小,而對客戶而言,看的更不僅僅是技術領先與否,包含良率、耗電量等因素都在考量範圍之內,而非只有製程一項因素而已。如果光從數字就可評斷,那在先前蘋果 A9 晶片門事件也不會因此而鬧得沸沸揚揚了,畢竟三星的製程數字是優於台積電。

(首圖來源:達志影像)

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