英特尔投下埃米炸弹：台积电的夸大宣传该到头了

作者| 宇多田

出品| 虎嗅科技组

封面| 视觉中国

 

自从去年英特尔被100%确凿证据证实了在10nm制程上的延期，以及在7nm制程上全面落后于台积电，丧失全球制程领导地位后，大众舆论对这家美国唯一从设计、制造到封测全覆盖的半导体企业的态度，呈现出惊人的一致变化：

 

除了竞争对手和看热闹不嫌事大一样的顺便踩一脚，这种“批判趋势”到最后似乎演变成——这家半导体顶级巨头剩下的日子似乎屈指可数了。

 

技术创新层面遭遇的危机也蔓延至他们的财务数据上，从2020年Q1到2021年Q3，英特尔净利润连续3个季度下滑；而历来作为数据中心市场的绝对王者，英特尔这一业务板块的收入也在三个季度内持续下降。

 

2021年5月，权威市场调研机构 IC Insights发布的《2021年Q1全球Top15半导体公司业绩与排名》指出，英格尔虽然位列第一，但却是所有厂商中唯一一家营收下滑的企业。

 

图片来自IC Insights

 

英特尔当然焦虑。这种焦虑可能体现在：

 

• 受到资本市场巨大压力，2021年年初突然换帅，重新启用有40年制造技术履历的帕特·基辛格(Pat Gelsinger)为新任CEO。

 

• 迅速接受了阿斯麦比自己更为先进的EUV制造工艺，用了大约两个季度的时间修复了7nm技术。

 

• 在制造环节投入巨资。今年3月，帕特·基辛格正式公布十分关键的“IDM 2.0”战略，宣布重返晶圆代工市场，同时宣布投资200亿美元在美国亚利桑那州新建两座晶圆厂；5月再次宣布，投资35亿美元升级新墨西哥州工厂，投资100亿美元在以色列兴建的芯片厂，还计划在欧盟建厂。

 

• 越来越多的英特尔半导体技术专家现身说法，为自己的制造技术正名，强调“每家晶圆厂的制程数据有对外宣传的差异”。

 

当然，根据虎嗅平台的观察和媒体反应，在国内大大小小的人工智能、物联网以及数据中心市场活动上，你能越来越多次看到英特尔出现的身影。

 

英特尔 CEO 帕特·基辛格

 

以重新夺回“制程节点”为目标的英特尔，今年3月发布的“IDM2.0战略”就以大手笔和”绝不放弃制造”的态度虽然引起产业重视，但因为表现不佳的财报状况持续受到争议；

 

而昨天，包括CEO基辛格在内的4位英特尔高级制造技术专家，再次通过大范围公开英特尔的制程技术和实现路径，向半导体产业投掷了一枚“新炸弹”：

 

• 英特尔的确在10nm和7nm有所延迟（如果感兴趣，可以看我的这篇文章《英特尔退位，台积电称王》），但在5nm节点上，英特尔自认为非但没有延迟，反而会完成超越。

 

• 为了应对台积电等对手的“制程虚假宣传”，以及纠正大家对制程的认知误区，英特尔直接舍弃了“10nm，7nm，5nm，3nm”这一本质上由摩尔定律决定的说法，而是直接采用100%英特尔主观视角的新命名体系——Intel7，Intel4，Intel3，Intel20A，Intel18A。

 

• 这一次公开的Intel20A，本质对应的就是5nm制程。这是一个英特尔近2年来闭口不谈的制程节点，相关时间计划基本到7nm就戛然截止了。英特尔首次宣布将通过Intel20A，进入“埃米时代”。

• Intel20A背后两大关键技术非常值得注意。其中，这个制程将会采用全新的晶体管结构Gate-All-Around，并非是为22nm以下制程产品化立下汗马功劳的FinFET结构。

换言之，这种应用了新材料的新结构芯片，将会对传统制程概念，产生重大改变。就如一位半导体技术专家告诉虎嗅：“这种新的材料结构，制程这些几纳米啥的就没那么大的关系了。”

 

英特尔新制程命名体系：快醒醒，客户们

 

关于制程的命名问题，被产业诟病已久。

 

譬如我们曾在《英特尔退位，台积电称王》这篇文章里提及，业内不少工程师认为，英特尔在对待“纳米”制程数字的态度更实在，甚至表示“英特尔的10nm芯片对标的其实是台积电的7nm，甚至比后者的7nm都好”。

 

这也是基辛格上任后，多次在公开场合呼吁大家正确理解“制程数字”：

“包括英特尔在内，使用着各不相同的制程节点命名和编号方案，这些方案既不指代任何具体的度量方法，也无法全面展现如何实现芯片能效和性能的最佳平衡。”

 

这就像是车展上那些号称自己芯片达到几百几千Tops的汽车，也像是加州每年发布的《自动驾驶接管报告》——没有统一测试条件和足够的企业诚信度，就绝对不配说出“谁比谁性能好”的结论。

 

所以，英特尔这次兴师动众地更换了命名体系，美名曰：“让客户对整个行业的制程节点演进有一个更准确认知，进而做出更明智的决策”，其实主要目的就是对付台积电和三星不那么太靠谱的5nm和3nm制程名字。

 

• 2021年下半年将推出的Intel 7 （是不是至少看起来像是7nm？），其实就是英特尔之前发布的10nm Enhanced SuperFin；

 

• 2023年上半年发布的Intel 4（至少看起来像4nm？），其实就是英特尔之前PPT的7nm；

 

• 2023年下半年发布的Intel3，其实就是英特尔之前PPT上的7nm+；

 

• 2024年上半年发布的Intel20A（看起来像不像2nm？），其实就是英特尔标准下的5nm；

 

• 2025年上半年发布Intel18A，其实就是英特尔标准下的5nm+。

 

图片来自英特尔

 

实际上，随着晶体管结构的愈加复杂，早在21世纪初，产业内就开始对芯片的纳米制程命名有了“分化趋势”。

 

我们都清楚，微处理器是由以特定方式连接起来的数十亿晶体管组成。这些晶体管充当了“开关”的角色，负责处理电子数据的1和0。

 

基辛格解释，在晶体管顶部有一个区域叫“栅极”，它决定了晶体管是开启还是关闭。而“制程节点”指代的是晶体管所需的数千个制造步骤组成的复杂方案。

 

而所有最顶级半导体公司几乎都有同一个目标——让这些芯片变得更小、更快、更便宜、更高能效——最好的例子莫过于苹果的5nm制程芯片M1（有太多关于M1的测评可以去看，我也买了一台M1的Macbook Air，爱不释手）。

 

最初，制程工艺“节点”的名称与晶体管的栅极长度相对应，并以“微米”为度量单位。随着晶体管越变越小，栅极的长度越来越微缩，产业开始以纳米为度量单位。

 

而关于制程命名改变的关键节点出现在1997年。

 

“随着技术进步和应变硅（strained silicon）等其他创新技术的出现，除了缩小晶体管，更快、更便宜和更高能效也变得同样重要。” 基辛格认为，从这时开始，传统命名方法不再与实际的晶体管栅极长度相匹配。

换言之，晶体管尺寸在某种程度上不是唯一的决定因素，它们之间的“互连”等因素也不能忽略。

 

2011年，在英特尔推出FinFET晶体管结构技术后，行业进一步分化。这是一种构建晶体管的全新方式，具有独特的形状和结构。

 

这个结构就是将停滞不前的22nm继续往下缩进的关键技术。但要很显然，从22nm开始，不要说大众，就连产业内对制程数字的理解与它的实际“坐标”也开始逐渐脱离。

这也是英特尔如今建立新命名体系的根本缘由。

 

正如虎嗅之前在采访工程师时得到的答案：“英特尔在制造工艺标准制定上相对更激进，要求也更高。但的确制程延迟了1~2年，说落后并不意味着他们没有追赶的可能性。”

 

但英特尔这次大刀阔斧的制程更名，也许不是不相信自己，而是嗅到了市场和资本已经被“命名”困惑已久（譬如开头），甚至依此来做出商务判断的残酷现实。

不过我们想到了一个问题——即便推出了新命名产品，客户没有理由不问一句：“你这intel7到底几纳米？对标的是台积电的几纳米？”

 

说实话，我们更想知道英特尔在遇到这个问题时怎么回答。

 

誓死捍卫摩尔定律？

 

基辛格在这次可谓是极为详尽的“制程技术科普会”上，至少提了三次关于“摩尔定律不会消亡，英特尔会通过各种方法，如改材料、晶体管结构，以及封装等角度，继续来延续摩尔定律”的决心。

 

实话讲，除了这个意味深长的新命名体系，英特尔最有趣且最应该受到关注的产品，毫无疑问是Intel3之后的Intel20A。

 

（当然，Intel4 将作为第一批应用阿斯麦高数值孔径（High-NA）极紫外辐射光刻技术(EUV)的处理器也倍受瞩目，但象征意义不如Intel20A。）

 

Intel 20A（5nm）之所以被英特尔称为历史上制程技术发展的下一个分水岭，是因为它是第一块应用英特尔两大“开创性技术”的芯片：

 

• 替代FinFET的全新晶体管架构 Gate-All-Around（英特尔把它命名为RibbonFET）

• 能够解决“互联瓶颈”的电能传输系统PowerVia。

 

FinFET技术的重要性已经无须赘述。

 

它是加州伯克利大学电子工程与计算机专业教授胡正明在1999年研发出的 3D 晶体管技术（鳍型晶体管）。英特尔之所以能在 12 年后率先量产出 22nm 晶体管，台积电与三星顺利过渡至 16/14nm 制程节点，FinFET功不可没。

正是这项“发明”，摩尔定律才得以“延寿”数十年。

 

但是，随着制程从5nm持续缩进至3nm，半导体制造专家们发现，进一步减少 FinFET 尺寸，就越来越受到驱动电流和静电控制的限制。

 

而将要替代它的Gate All Around的常用名为GAAFET（全栅场效应管），它使用栅极包围的带状通道，从而能实现更快的晶体管切换速度和更好的控制。因此，在更小的占用空间内，可具备更高的性能。三星在2020年曾宣布将在3nm制程芯片上应用这一架构。

 

图片来自泛林半导体

 

与 FinFET不同的是，在 FinFET 中，较高电流需要多个并排的鳍片；GAA 晶体管的载流能力主要是通过垂直堆叠几个纳米片（上图），而栅极材料主要是包裹在沟道周围来提高的。纳米片的尺寸可以按比例缩放，以便晶体管可以按照要求的特定性能进行调整。

 

听起来，“纳米片”的概念其实理解起来并不是那么困难；而且实际上，这项技术已经被研发多年。但其之所以不受业内“重用”，主要瓶颈就在于“材料”。

 

根据泛林半导体给出的解释，GAA晶体管是通过“交替硅”和“硅锗外延层”的超晶格来制作的，这是构成纳米片的基础，此外制作工艺相对复杂，可能需要钌、钼、镍等各种合金新材料进行沉积、蚀刻、填充。

 

一位半导体专家这样给虎嗅总结：“它（GAA）将对半导体的基底材料进行更改，半导体连接的材料也要进行更改。同时整个晶体管的物理结构也要变化。”

 

因此，带领团队开发这项技术的Sanjay Natarajan博士将英特尔的GAA——RibbonFET称为一次“晶体管性能上的重大飞跃”，并非虚话。

 

根据测试芯片结果，他们预计RibbonFET晶体管带来的性能和密度提升，将超过当下的FinFET晶体管。而Intel 20A将是应用RibbonFET的第一枚芯片。

 

而电能传输系统PowerVia则是英特尔工程师开发的一项独特技术。Sanjay Natarajan博士作为这项技术的开发负责人，指出半导体晶体管结构中存在的最大传统问题之一便是“布线效率低下”。

 

“传统互连技术是在晶体管层的顶部进行互联，经常产生电源线和信号线的互混，导致了布线效率低下，进而影响性能和功耗。”

 

他们的解决方法，便是把电源线置于晶体管层的下面（也就是晶圆的背面）。通过减少晶圆正面的电源布线，腾出更多的“空地儿”用于优化信号布线，并减少时延，实现更好的电能传输。

 

值得注意的是，这两项将用于Intel20A的关键技术，虽然不可避免被人诟病为“仍然处于PPT状态”（毕竟还都是PPT），但英特尔的专家们展示了这些测试芯片的扫描电镜图像，显然经过了一系列测试。

 

就像上面所说，它们的成功应用，将决定着英特尔是否能在5nm这个关键节点上进行反超。

 

从时间来看，很明显，2019年时PPT上规划的“2023年实现7nm++”，与这次规划的“2024年实现Intel20A”没有多少间隔。也就是说，依然有机会在5nm这个节点上翻盘。

 

英特尔2019年10月的制程产品规划图

如基辛格所说，英特尔Intel20A在2024年的问世与两大关键技术的真正应用，将标志着半导体“埃米时代”（1埃米=0.1纳米）的启幕。

 

现在来听，其实更像是英特尔在向外界喊话：你们以为我还想在“纳米时代”争夺领导权？不，我们要进入一个比纳米更小的单位去争夺话语权了。

 

写在最后…希望不是PPT

 

但话说回来，既然完全改变了以纳米为单位的命名体系，而且晶体管结构和材料正在发生下一轮巨大变化。此外，英特尔也在从封装技术层面提高芯片的带宽密度和能效……

 

这一切难道不是意味着，所谓的纳米还是埃米的数字单位，已经越来越没意义了吗？

 

英特尔嘴上说在捍卫摩尔定律，其实已经认识到不能再依靠摩尔定律。

 

如今，Intel20A的制造工艺虽然官方说拿下了高通这个大订单，但距离2024年变数还有很大。我们虽然觉得英特尔这场发布会的意义重大，并且产品规划让人没有异议，但是PPT能够转变称真正的产品，还是需要实物说话。

 

毕竟，当年延迟了4年的14nm产品，当时PPT做的也挺不错的。