半导体制造新工艺层出不穷 数字飙升的背后

对任何半导体产品来说，工艺永远是绕不过去的槛。工艺基本上决定了处理器的性能档次、性能功耗比水平——当然半导体架构设计和优化也会起到很大的作用，但是工艺带来的改善是根本的、具有决定性意义的，是任何优化都难以企及的。目前，业内最重要的代工企业台积电和三星在工艺的发展上越来越激进，10nm、7nm等新工艺层出不穷。那么，这些新工艺带来了怎样的优势？本文就带你一探究竟。

说起工艺，人们往往会想到英特尔。的确，英特尔拥有着全球综合性能最强悍的半导体制造能力，其工艺无论在频率、功耗还是面积等重要指标上几乎都是同代次中最先进的。不过英特尔的工艺再好，主要还是给自家产品使用，由于商业竞争等原因，在移动SoC这样对工艺极端敏感的产品上基本看不到英特尔的身影。好在三星在代工行业日趋壮大，成为高通等芯片设计厂商的伙伴，同时也成为了第一大代工企业台积电的最大竞争对手。在新一代SoC产品和其他重要产品上，三星和台积电的步伐深刻影响了产业界的发展速度，而且还不止它俩！

即将到来的10nm时代

目前14nm工艺已经使用了两三年之久，下一个重要的产业节点将是10nm。在10nm时代，三星和台积电将带来大量先进技术供客户选择。

三星：多版本进入10nm

从2016年开始，三星就在10nm工艺上不断取得进展。其10nm LPE工艺在2016年10月就已经开始生产，并逐渐推出多代次、面向不同客户的版本。从14nm产品来看，三星推出了LPE、LPP、LPC和LPU四个版本，其中LPE是指Low Power Early，也就是早期的低功耗版本，是三星专门为低功耗设备推出的新工艺；LPP是指Low Power Plus，这个工艺是为高性能处理器推出的；LPC是指Low Power Compact，专门为注重面积的客户提供的成本优化版本；至于LPU，则是功耗、性能方面表现最出色的版本。

▲三星展示的10nm工艺晶圆

在10nm上，三星将不推出LPC版本，只有LPE、LPP和LPU版本。根据三星的安排，LPE版本在2016年底已经开始试产，具体产品也已经上市，LPP版本则将在2017年底开始生产，LPU版本被安排到了2018年底，基本上是一年一代的节奏。有关LPE版本和LPP版本的信息，三星给出了很多内容，不过LPU三星则没有任何消息透露，因此目前尚不能确定LPU是从哪个方面（比如频率、功耗或者面积）给予优先优化—这往往和重要客户的订单以及市场竞争有关，据猜测10nm LPU可能针对超小型、超低功耗的IC，但是三星对此闭口不言。

▲三星展示自己的半导体工艺发展历史，10nm时代驱动电压会降低至0.7V。

▲三星首款10nm产品Exynos 8895已经上市

三星宣称，目前所使用的14nm LPP版本工艺相比广泛、成熟应用的28nm LPP，能够最多降低60%的功耗（频率相同且处理器复杂度相同）或者提升40%的性能（功耗相同且处理器复杂度相同），面积最多能够缩小50%。10nm方面，10nm LPE相比14nm LPE，上述三个关键数据分别是40%、27%和30%，10nm LPE即使面对比较出色的14nm LPP，也有30%、大于10%和30%的优势。在10nm产品内部相比的话，10nm LPP相比10nm LPE，又可以带来约15%和约10%提升（面积方面没有变化）。

台积电：今年量产10nm

看完了三星，再来看台积电。台积电方面10nm进展没有三星这么激进，台积电目前主推的CNL10FF工艺已经在公司的GigaFabs 12/15两个晶圆厂内获得了生产许可，产能在2017年开始爬坡。台积电计划在2017年使用10nm工艺制造40万片晶圆。考虑到台积电是苹果、英伟达等无晶圆厂商的主要代工企业，因此苹果新一代iPhone和英伟达的新产品将有可能是用10nm工艺。

台积电在10nm工艺上的进展也很迅速。需要说明的是，由于台积电在16nm工艺上比较谨慎，前面还有个半代的20nm工艺试水，因此16nm相比前代28nm（实际上台积电的20nm工艺和16nm工艺所使用的掩模尺寸相同）实际面积缩减不到50%，而同期三星做到了50%缩减—请注意，这并不意味着台积电16nm工艺制造的产品面积一定会比三星14nm工艺制造的产品面积大。虽然掩模尺寸一样，但相比没有启用FinFET技术的20nm，16nm FinFET在功耗和性能上还是非常卓越的。台积电的16nm推出了两个版本，分别是16nm FF和16nm FF+，后者相比前者进一步优化了FinFET，同时在功耗和漏电控制方面进行了优化，整体性能得到了很大提升。

在10nm时代，由于整体换用了全新的工艺（再加上20nm到16nm转换时台积电步子迈得小了一点），因此最终台积电的10nm FF相比目前广泛使用的16nm FF除了在功耗上有40%的优势、性能上有20%的优势外，面积上则带来了高达50%的面积缩减（相比之下三星的10nm对比14nm面积缩减只有大约30%）。芯片面积的缩减在注重成本的产品上非常重要，这意味着一张晶圆能够切割出更多的芯片，实现更低的成本。不过，台积电目前只规划了一代10nm产品，并没有像14nm那样至少规划2代产品出来。台积电在10nm上进入得比三星稍晚了一点，但是即将在7nm上迎头赶上—台积电计划在2018年就进入7nm时代，推出CLN7FF工艺。7nm工艺被认为是继28nm、14nm后的又一个重要的工艺节点，因此颇受各大厂商的关注。