主流芯片制造厂工艺水平如何，这篇分析最全

半导体行业似乎离普通人很遥远，只是近一年多来中美贸易战的爆发，将集成电路制造技术推向了媒体的聚光灯下，铺天盖地的报道成为众所关注的焦点。诸如，工艺技术节点是什么，它和处理器（CPU）有什么相关性，又对其性能有什么影响，每次看到这样的新闻或谈论类似的话题都会让许多人如坠云雾之中，无从插嘴，无法理解，这些貌似冷冰冰的高在上的词汇到底代表着什么。

如果你想透彻了解他们所代表的具体意义，或者更进一步地想知道市面上计算机或手机所使用的处理器的工艺水平如何，性能如何，或者想知道下次你应该如何选择更具性价比的电子产品，或者你应该选择何种处理器才能让你在玩你最着迷的游戏时，能够更加顺畅自如的操控各种动作而不是经常遇到卡顿现象，从而使你能够获得更高的愉乐体验，那么这篇文章相信绝对是你的最佳选择，你将再无疑虑。

工艺节点意味着什么？

“7nm，10nm，12nm，14nm，16nm ......”

当购买计算机或手机时，消费者往往会关注一些关键的处理器参数，在厂商的宣传手册或广告语上通常会看到上面的这个数字，而产品评论员和技术专家在谈论这个数字时，就好像在谈论一件非常重要的事情。

那么，这个数字究竟代表什么意思？

作为消费者，你需要知道这个数字代表着处理器中晶体管的大小，晶体管是CPU和数字电路的构建模块。

当以不同的方式组合晶体管时，就可以获得像与、非或异或门等逻辑电路。然后，这些门可用于获得加法器、乘法器和其他不同类型的复杂电路。它们是数字电路中非常重要的基本电路单元，很多超大规模数字集成模块都是由大量的这种单元电路组成。

现代处理器可能包含数十亿个晶体管。例如，AMD第一代Ryzen处理器8核CPU Zeppelin带中有48亿个晶体管。50多年来，半导体行业需要持续缩小晶体管的尺寸，以便可以在相同的单位面积内增加它们的数量。

那么，当缩小晶体管的尺寸时会发生什么？

这直接导致了两个主要的改进：

1）性能：随着晶体管尺寸的减小，可以在相同的单位面积内容纳更多的晶体管。因此，可以从相同大小的处理器获得更高的处理能力。

2）功率效率（功耗）：较小的晶体管需要较少的功率就可以发挥其功能，这就降低了芯片的总功耗。 较低的功率还可以产生较少的热量，从而能够进一步提高时钟速度。

摩尔定律解释了这一点，该定律表明，由于制造技术的进步，集成电路中的晶体管数量（集成度）每两年翻一番，并伴随着性能的增长和成本的下降。怎样描述这个集成度呢？这就有了工艺“节点”的说法，即工艺节点数值越小，表征芯片的集成度就越高。集成度的提高，不仅意味着单个晶体管的尺寸缩小了，同时也意味着采用了更加先进的制造工艺。可以说，集成电路技术的发展过程，就是把晶体管尺寸做得越来越小的过程。因此，集成电路的规模反映了集成电路的先进程度。

摩尔定律的发展，不仅使得几十年以来芯片里含有的晶体管数目越来越多，半导体器件的性能不断提高，而且还减小了器件的尺寸，这就是处理器芯片可以变得越来越小而速度越来越快的原因。在图1中，给出了当前世界上最重要的三家芯片制造商晶体管密度数量随工艺节点的趋势图。可以看到，在同样的10nm技术节点，英特尔的晶体管密度数量遥遥领先于三星和台积电，甚至比他们7nm工艺的数量还要多。

由此可见，这个nm数字或制造工艺多么重要，现在理解了吧！

那么，下次当你在购买处理器时，在比较不同的产品时，请密切注意这个数字。

当然，除晶体管密度外，还有其他的一些关键参数决定了一款处理器的性能，如单线程性能、时钟频率、功率、多核数量等等。过去40多年来，与处理器有关的关键参数随时间的变化关系，可参考图2。

接下来，对于那些想要了解集成电路制造细节的人来说，将是真正有价值的内容。

这些nm数值实际上并不代表晶体管的尺寸，更确切地说是指用于制造晶体管的制造技术。很久以前，晶体管的栅极长度与制造技术（nm数值）大致相同，但现在情况发生了重大改变，已经不再如此。事实上，现在这个数字已经成为一种没有任何物理意义的营销噱头，并且没有通用的标准来计算这个数字。不同品牌有不同的计算方法。例如，台积电的10nm不等于三星的10nm。英特尔称之为10nm的技术，则与台积电所称的7nm相当。因此，当前半导体行业已经没有通用的标准。

既然如此，对于集成电路制造技术，现在重要的是哪些方面？

晶体管密度！

具有更高晶体管密度的制造工艺更好。

晶体管密度

自2016年以来，消费者一直在等待英特尔的10nm处理器。截至2018年，英特尔仅设法推出了一款基于10nm的CPU，即仅用于笔记本电脑的Core i3-8121U处理器。而延迟的一个重要原因却是英特尔正在激进地向前迈出一大步，这似乎非常容易理解，这导致它最近几年一直深陷良率不高的泥淖之中。从已经披露的性能看，英特尔的10nm带来的甚至比三星和台积电的7nm产品还要好。下图给出了不同半导体芯片制造商的晶体管密度对比情况。

尽管英特尔的10nm技术在主流处理器中几乎还没有上市的任何迹象，但台积电的7nm已经进入批量生产，并用于制造Apple A12 Bionic处理器，麒麟980处理器，骁龙855处理器和Zen 2架构（Ryzen 3000系列）处理器。由于Zen 2是基于台积电的7nm HPC工艺，因此这为AMD提供了一个很好的机会，可以在2019年从英特尔手中获得一些市场份额。

接下来，对不同芯片生产商的制造技术进行了一个排名，如下表所示，可以较为便捷地了解哪种工艺更为先进。表中密度以MTr/mm2计算，其代表每平方毫米数百万个晶体管。截至2019年1月，英特尔的10nm技术依然领先于台积电和三星的7nm技术。

来源：根据公开数量整理

有一点需要注意，上述数字在某些情况下是近似的。但是，这不会影响排名。如果更深入地研究这个问题，英特尔的10nm比台积电7nm的SRAM稍微密集一些。但台积电的7nm实际上比英特尔的逻辑单元更密集，这使事情变得更加复杂，却很有意思。

由于英特尔的10nm还没有大规模生产，台积电的7nm是目前市场上明显的赢家。

不同制造商的制造技术

接下来，对比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特尔等不同制造商的不同工艺节点都有什么特点。

台积电

台积电是目前世界上最大的独立半导体代工制造商。台积电与世界上一些最大的芯片设计商合作，如Nvidia，AMD，高通，苹果，华为和联发科。截至2019年1月，台积电凭借其7nm制造工艺引领新一代的高端技术竞争，该工艺已经开始批量生产，iPhone XS和华为Mate 20 Pro等顶级手机品牌都采用了这一技术。

7nm

首先，让我们看看最近一年来炒作最火热的台积电7nm工艺。TSMC的7nm工艺实际上有多种变体，7nm FF/FF+（FinFET和FinFET+）的晶体管密度约为96.49 MTr/mm?，7nm HPC的晶体管密度为66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工艺是TSMC自身10nm工艺密度的1.6倍。此外，与10nm技术相比，7nm工艺可使性能提高20％，功耗降低40％。

目前该技术主要用于：A12 Bionic（iPhone XS Max），Snapdragon 855，Kirin 980，Zen 2（Ryzen 3000 Series）

10nm

台积电的10nm节点工艺的密度为60.3 MTr/mm?，是自身12nm/16nm节点密度的2倍多，速度提高了15％，功耗降低了35％。

目前该技术主要用于：Apple A11 Bionic，Kirin 970，Helio X3。

12nm/16nm

与20nm工艺相比，台积电16nm的速度提高近50％，功耗降低60％，其密度为28.2 MTr/mm2。

台积电的12nm技术或多或少是一种营销噱头，类似于他们的16nm节点。这个12nm节点只是它们重新命名的16nm工艺，具有更好的栅极密度和较少的优化。12nm工艺的估计密度约为33.8 MTr/mm?。台积电的12nm和16nm工艺为麒麟、联发科处理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服务。

主要用于：Nvidia图灵GPU（GeForce 20系列），麒麟960，麒麟659，麒麟710，Helio P60，Helio P70，Apple A10 Fusion处理器。

从上述讨论可见，台积电身为晶圆代工产业龙头，拥有最成熟，最完整的生态系统。它的突出优势在于其技术发展一直紧跟市场需求，是工艺技术的领导者和激烈的竞争对手，也是当前世界上最有竞争力的芯片制造商，最近几年一直是产业界专业人士观察全球市场的关键风向标。相比三星及英特尔的IDM身份，对于Fabless客户而言，台积电无论在技术和立场上都明显比前两者在先进技术的代工市场中更有竞争力，更适合服务这些客户。

放眼望去，台积电眼中真正的对手只有英特尔，台积电如何挤掉英特尔，也一直是市场关注的焦点，也是台积电一直在努力的方向。从先进的制造工艺来看，台积电现在已经形成了一定优势，占据了市场的先机。

英特尔

英特尔是全球第二大芯片制造商。曾几何时，英特尔在半导体市场处于绝对的领先地位，但其10nm工艺的一再延迟使其在高端技术上已经相当落后。

7nm

2018年12月，英特尔宣布他们正在开发7nm工艺，并且正在按计划进行。英特尔7nm工艺将使用EUVL（极紫外光刻）制造，预计晶体管密度将达到242 MTr /mm?，是10nm工艺 的2.4倍。

现状：正在进行中。

10nm

英特尔的10nm工艺最初预计将于2016年首次推出，但截至2018年底，它已被推迟3次！

英特尔10nm工艺密度约为100 MTr /mm?，是14nm工艺的2.7倍。从这一点看，英特尔的10nm相当于其他公司所标榜的7nm技术。

现状：英特尔正在努力提高良率，可能在2019年末进入批量生产。

用于：Core i3-8121U处理器。

14nm

英特尔的14nm工艺晶体管密度估计为43.5 MTr/mm?。截至目前，从Broadwell到Coffee Lake，都拥有相同的14nm技术，已用于其5代处理器之中。然而，这款14nm技术仍然优于台积电的16nm/12nm和三星的14nm技术。

英特尔还推出了14nm+和14nm++，只是进行了微小的改进。

主要用于：英特尔的第5代，第6代，第7代，第8代和第9代移动和桌面处理器。

什么是14nm +和14nm ++？

由于10nm节点的延迟，英特尔简单地改进了他们的14nm节点，在性能和功耗方面略有改进，并将它们命名为14nm +和14nm ++。这些只是微小的改进，并没有进行晶体管密度微缩。

现在可以做一个简单的总结。

过去很长一段时间里，英特尔依循摩尔定律，在工艺技术上一路领先，然而这几年却一直卡在了10nm这个节点，而其竞争对手三星和台积电已经在7nm上实现了量产。尽管其10 nm工艺晶体管密度比后两者的 7 nm工艺还要高，可是10nm的一再推迟上市使其丧失了以前的领先优势。不仅如此，更重要的是英特尔使用EUV光刻技术也面临不确定性，有分析称，2021年底英特尔都不太可能用上EUV光刻技术，而台积电、三星在今年的7nm工艺上都会用上该技术。可是，英特尔似乎并不着急，他们目前正全力以赴解决10nm工艺的量产问题，将良率提高到可以接受的程度，在2019年底正式推出基于10nm工艺的处理器，而在2020年才有可能大规模生产出移动、桌面、服务器版的10nm芯片。

相比于台积电和三星，英特尔的7nm工艺尚在研发中，目前透露的消息较少，但曾有计划在2020年量产7nm工艺的处理器，如果发展不顺利也有可能延后到 2021 年正式量产。面对台积电和三星的步步紧逼，英特尔也不得不做出改变，英特尔在2017年便向包括ARM阵营在内的所有厂商开放代工业务，并表示代工业务营收在英特尔总营收中的比重将逐渐提升。

三星

2017年7月，三星取代英特尔成为全球最大的芯片制造商。对于几乎相同的工艺节点，三星芯片的晶体管密度与TSMC相当。三星为高通、苹果、Nvidia和许多其他厂商生产芯片，并且还将其14nm工艺许可给GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技术生产了7nm芯片，工艺密度为95.3 MTr/mm?。相比10nm技术，性能提高了20％，同时功耗降低了50％。

现状：已进入批量生产。

8nm

三星的8nm工艺也称为8nm LPU（Low Power Ultimate），它只是其10nm工艺的延伸。就晶体管密度而言，它与台积电的7nm HPC工艺非常相似，其密度为61.18 MTr/mm?。该技术用于制造Exynos 9820芯片，将在2019年即将推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用于：Exynos 9820处理器。

10nm

三星10nm工艺有两种变体，10nm LPE（Low Power Early）和10nm LPP（Low Power Plus）。其第二代工艺（10nm LPP）性能提高了10％，密度为51.82 MTr /mm?，是14nm工艺密度的1.6倍。

适用于：Snapdragon 835，Snapdragon 845，Exynos 9810，Exynos 8895，Exynos 961。

11nm

与14nm LPP（Low Power Plus）工艺相比，11nm LPP（Low Power Plus）工艺可提供高出15％的性能。但是，功耗保持不变，这个过程更像是对14nm工艺的扩展。

用于：Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工艺是其最广泛使用的制造节点之一，该工艺的晶体管密度为32.5 MTr /mm?，主要用于Nvidia的GeForce 10系列，以及许多Qualcomm和Exynos芯片。它有多种变体，14nm LPE（Low Power Early）和14nm LPP（Low Power Plus）。

用于：Nvidia GeForce 10系列，Snapdragon 820，Snapdragon 821，Exynos 8890，Exynos 7870。

三星，是除台积电之外仅存的一家最领先的芯片代工厂，这对部分处于领先地位的无晶圆厂公司寻求最佳技术而言，具有独特的价值。三星曾在14nm领先于台积电，并且在该节点表现地相当不错。但是随着时间的推移，在10nm和7nm节点，三星逐渐落后于台积电，或许三星过去一年最大的亮点在于他们在台积电之前，在世界上第一个将EUV光刻技术应用于7nm工艺，而台积电则要在2019年才能应用于共第二代7nm工艺上。可是，他们最新生产的S10手机处理器却仅采用8nm技术，由此可知其7nm技术并不纯熟。

GlobalFoundries

GlobalFoundries（格罗方德，格芯）是一家美国半导体公司，为高通、AMD和Broadcom等各种品牌制造处理器。

7nm

此前，得益于三星背后的支持，GlobalFoundries的7nm走在前列，而且2018年3月还邀请少数资深记者前往旗下最先进的纽约Malta的Fab 8工厂，介绍他们计划向7nm EUV光刻技术推进。然而，计划赶不上变化。18年8月宣布，出于经济因素考虑，搁置7nm LP项目，将资源回归到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

尽管曾有许多业内专家估计它的7nm技术比台积电的7nm还要更加密集，但GlobalFoundries目前已经停止了他们的7nm开发，已经不会再与台积电竞争。按照AnandTech的报道，GF的5nm和3nm研发也将终止，已经逐步停掉与IBM硅研发中心在这方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工艺的性能比其前代产品提高了15％，密度提高了10％。Ryzen 2000系列便基于其12nm节点技术。当前，GF的12nm/14nm多用在AMD的锐龙处理器（Ryzen 2000 Series）、Radeon GPU上，12FDX/22FDX则可以提供优质的性价，可用于集成模拟和射频组件上，如5G基带。

用于：Zen +架构产品（Ryzen 2000 Series）。

14nm

GlobalFoundries实际上从三星那里获得了14nm技术。

用于：AMD Vega系列，Ryzen第二代APU，Radeon 500系列。

目前，GlobalFoundries已经停止一切与7nm工艺有关的投资研发，转而专注现有的14/12nm FinFET工艺和22/12nm FD-SOI工艺，提供包括射频、嵌入式存储器和低功耗等一系列创新IP及功能，并调整相应研发团队来支持新的产品组合方案，这一选择可能和最近几年窘迫的财务状况有关。

中芯国际

中芯国际是国内领先的晶圆厂，这里只简要谈一下其最新进展情况。在中美贸易战这个大背景下，中芯国际的进展倍受举国瞩目。据最近报道，中芯国际在14nm FinFET技术开发上已经获得重大进展，良率已高达95％，其第一代FinFET技术研发已进入客户导入阶段，并且将在今年上半年投入大规模量产。同时，12nm的工艺开发也取得突破。中芯国际的14nm/12nm进展，对于中国集成电路产业来说是一个极大利好，但是与全球的先进技术相比，中国还比较落后，还需要整个产业共同努力，以便早日在世界高端芯片制造领域占据一席之地。

Zen 2 vs Sunny Cove

2019年预计将是计算机硬件行业非常重要的一年，预计AMD、英特尔和Nvidia之间将展开激烈的竞争。看看AMD的Navi GPU性能到底有多好，这会让我们这些旁观者感觉非常有意思。这里先讨论CPU，稍后再来讨论GPU的情况。

当AMD于2017年推出Ryzen时，消费者可以以极高的性价比购买一款令人惊叹的高性能处理器。但是即使在推出第二代产品之后，AMD仍然在单线程性能方面落后。虽然AMD目前是构建工作站和内容创造者的最佳选择，但英特尔仍然是游戏玩家的首选。

这一切会随着Zen 2的推出而改变吗？

可能会。

基于Zen 2 架构的Ryzen 3000系列（Matisse）将于2019年中期推出。

如果再看一下其使用的工艺技术节点，Zen 2将使用TSMC的7nm HPC工艺制造，其密度为66.7 MTr/mm?，几乎是Zen +的两倍。与英特尔的14nm相比，Zen 2的密度提高了53％。

图3 AMD CPU架构路线图（来源：AMD）

对于Zen 2处理器，消费者期待更高的IPC（Instruction Per Clock）和时钟速度。这里，IPC是指 CPU 每一时钟周期内所执行的指令多少，它代表了一款处理器的设计架构，一旦该处理器设计完成之后，IPC值就不会再改变。对于当前先进的处理器来说，IPC值的高低往往起到了决定性的作用，而频率似乎不再像以前那样重要。此外，Ryzen处理器中的高速存储器需求（为了获得更好的性能）将会降低。如果网上的一些披露是真的，那么Zen 2也会采用更多核，但价格与现有的Ryzen 2000系列相同。

AMD在单线程性能方面可能会或可能不会超过英特尔，但它肯定会接近Zen 2，这也将成为游戏玩家的绝佳选择。所以很多玩家对AMD处理器的建议就是希望AMD能够继续坚持他们预定的产品上市计划，并继续以有竞争力的价格推出产品。在此情况下，AMD有很好的机会在未来两年内从英特尔手中获得不错的市场份额。

对于英特尔来说，他们又要面对什么？英特尔在2018年12月11日的英特尔架构日第一次展示了他们的新CPU多核路线图。那天，英特尔展示了许多不同的技术，如3D芯片堆叠。

图4 英特尔CPU架构路线图（来源：英特尔）

新的Sunny Cove微体系架构基于英特尔的10nm工艺制造，是14nm工艺密度的2.7倍，有望带来更高的吞吐量和更好的可扩展性。

许多人对英特尔的看法是，如果他们再无法推出10nm的处理器，AMD将极有可能完全统治2019年。另外，还要注意的是，英特尔还需要为其Core i5和i7系列处理器用上超线程技术。

希望英特尔能够在2019年底之前发布他们的第10代Ice Lake处理器。如果英特尔一切顺利，并考虑到基于EUVL的7nm工艺正在按计划进行，他们也可能在2021年推出采用7nm技术的Golden Cove处理器。

从上面的两家公司产品的对比分析与讨论可见，英特尔和AMD的路线图似乎非常令人兴奋。如果两家公司都能够按照计划交付，消费者将会迫不及待地想看看2021年的处理器到底能够强大到何种程度。

那么，你更感兴趣的是什么？

AMD Ryzen的第三代（Matisse）还是英特尔的第十代（Ice lake）？

请在文末留下你的评论，这将是非常有意思的事情。

许多人对Ryzen 3000系列更为兴奋，因为采用Ryzen 7 3700X构建PC工作站非常强大。但另外也有很多人非常希望英特尔能够在2019年开始大规模生产10nm技术产品，并使竞争变得更加激烈，而得益的必将是我们这些消费者。

品牌之间的良好竞争最终能够产生非常好的优质产品，但是当垄断发生时，品牌最终则只是不断地进行细微的改进，就像英特尔曾经在Sky lake处理器上做的那样。

摩尔定律的终结

随着英特尔10nm技术的不断延迟，摩尔定律的终结显然已接近尾声。但我们应该把它称为“减速”，而不是称之为结束。晶体管的数量每两年仍在增加，但速度并不相同。

许多专家相信在量子隧穿效应发挥作用之前，仍然可以将晶体管尺寸缩小5到10年。但是在接下来的几年里，仍然有来自台积电和三星的5nm和3nm节点值得关注。此外，英特尔即将推出的7nm工艺将拥有比台积电5nm更高的晶体管密度。

猜猜看，未来会是怎么样的？至少从目前披露的报道来看，台积电距离5nm并没有太远。事实上，台积电将于2019年下半年开始初步生产5nm技术产品。台积电5nm和英特尔7nm都将采用EUV光刻技术。

那么，当摩尔定律终结时会发生什么？

半导体行业将不得不转向替代元素或等待某种技术发生突破。

未来就在不远的前方，让我们拭目以待！