英特爾在 7 月下旬的英特爾加速活動(dòng)期間宣布其面向未來的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的新名稱時(shí)受到了很多抨擊。按照英特爾的說法，他們的新節(jié)點(diǎn)稱為 Intel 7、4、3 和 20A。但業(yè)內(nèi)權(quán)威人士抨擊該公司將 10 納米增強(qiáng)型 SuperFin 工藝節(jié)點(diǎn)命名為“Intel 7”的做法（英特爾上周在其英特爾創(chuàng)新開發(fā)者大會上宣布并展示了使用Intel 7 工藝節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的第 12 代 i5、i7 和 i9 酷睿處理器，因此該工藝技術(shù)顯然掌握得很好）。該公司現(xiàn)在把“Intel 4” 用于之前稱為 7nm 的節(jié)點(diǎn)。Intel 3 和 Intel 20A 是全新的節(jié)點(diǎn)名稱。

　　在筆者看來此次節(jié)點(diǎn)重命名一部分源于營銷，另一部分只是面對現(xiàn)實(shí)。

　　英特爾已重新命名其即將推出的工藝節(jié)點(diǎn)，以符合行業(yè)慣例而不是其自身對現(xiàn)實(shí)的看法

　　過去，英特爾曾表示其 10nm 增強(qiáng)型 SuperFin 節(jié)點(diǎn)（現(xiàn)更名為Intel 7）在功率和性能上與臺積電的 7nm 節(jié)點(diǎn)大致相當(dāng)。這很令人困惑，不是嗎？該公司還表示，行業(yè)分析師已要求英特爾更新其工藝節(jié)點(diǎn)命名法，以反映該公司在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域的真實(shí)競爭地位。所有這些都是重命名節(jié)點(diǎn)的營銷部分。

　　而現(xiàn)實(shí)是這樣的：納米命名法在很長很長一段時(shí)間內(nèi)都不準(zhǔn)確。不適用于英特爾，當(dāng)然也不適用于任何其他硅代工廠。這種情況就像熱門喜劇電視節(jié)目“這到底是誰的臺詞？”中的評分系統(tǒng)，分?jǐn)?shù)不重要。

　　多年前，工藝節(jié)點(diǎn)命名是基于晶體管的最小特征尺寸。該命名約定是專門為平面 MOS 晶體管開發(fā)的，最小晶體管特征總是晶體管的柵極長度。當(dāng) FinFET 取代平面 MOS 晶體管時(shí)，這種命名約定就消失了，所有供應(yīng)商的工藝節(jié)點(diǎn)名稱都變成了您從等效平面 MOS 晶體管獲得的功率和速度的估計(jì)等效值。除了他們實(shí)際上無法再制造那些平面 MOS 晶體管。平面晶體管技術(shù)放棄了。MOS 晶體管在目前的光刻水平上不能很好地工作。這就是我們轉(zhuǎn)向 FinFET 的原因。早在 2011 年，英特爾就在 22 納米節(jié)點(diǎn)上推出了其首個(gè) FinFET 工藝。

　　RibbonFET 和埃

　　十年后，晶體管的基本結(jié)構(gòu)即將再次發(fā)生變化。

　　FinFET 柵極從三個(gè)側(cè)面驅(qū)動(dòng)。這比平面 MOS 晶體管中驅(qū)動(dòng)的多了兩個(gè)側(cè)面，它以更復(fù)雜的制造技術(shù)為代價(jià)帶來更好的晶體管性能。然而，驅(qū)動(dòng) FinFET 晶體管柵極的三個(gè)側(cè)面不再達(dá)到所需的速度和漏電流。我們現(xiàn)在必須驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的所有四個(gè)側(cè)面。這些 4 邊柵極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)通常稱為“Gate all around”或 GAA。

　　英特爾稱其 GAA 晶體管為“RibbonFET”，目前他們計(jì)劃在Intel 20A 工藝中推出改技術(shù)，該工藝將于 2024 年上半年出現(xiàn)（除非出現(xiàn)延遲）。注意進(jìn)程名稱中的“A”。“A”代表“?！?。英特爾沒有像以前的工藝節(jié)點(diǎn)那樣稱這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)為“intel 2”，而是將單位從納米切換到埃。一埃是 10 -10 m，或十分之一納米。我認(rèn)為我們應(yīng)該簡單地忽略英特爾從更大的工藝節(jié)點(diǎn)中刪除了“nm”這一事實(shí)。

　　據(jù)推測，這種對埃的命名更改允許分?jǐn)?shù)納米節(jié)點(diǎn)命名。這與我們之前使用的單位微米的情況類似。回到黑暗時(shí)代，我們有 3、2.5、2、1.5、1.3、1.2 和 1 微米的工藝步驟，然后是 0.8、0.75、0.7、0.5，一直到 0.25 微米左右。在那個(gè)點(diǎn)附近的某個(gè)地方，我們從微米跳到了納米。根據(jù)我的記憶，命名法的變化發(fā)生在 0.18 微米處，通常稱為 180 納米。那是什么時(shí)候？大約 1998 年，這發(fā)生在二十多年前。

　　這意味著在納米工藝節(jié)點(diǎn)尺將被使用近四分之一個(gè)世紀(jì)以后，埃時(shí)代正式到來。Intel Angstrom 命名法允許公司擁有名為 Intel 18A、Intel 17A、Intel 16A 等的工藝節(jié)點(diǎn)。這聽起來比 Intel 1.8、Intel 1.7、Intel 1.6 等等好多了，不是嗎？看起來他們也能通過這種方式取得了更大的進(jìn)步，對嗎？

　　然而，我們必須承認(rèn)，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)度不像以前那么大了。從上圖中，您可以看到從一個(gè)英特爾工藝節(jié)點(diǎn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能/瓦特提高了 10% 到 20%，并且該圖像甚至沒有討論密度改進(jìn)。

　　摩爾定律在墳?zāi)怪懈癄€了

　　基于以上所有內(nèi)容，我有一個(gè)非常悲傷的消息要告訴你，摩爾定律已經(jīng)死了。即使英特爾首席執(zhí)行官帕特·蓋辛格 （Pat Gelsinger） 上周在英特爾創(chuàng)新活動(dòng)期間做出了在未來 10 年內(nèi)每年都滿足或擊敗摩爾定律的大膽而熱情的承諾。然而通過從一代到下一代削減幾埃來擴(kuò)展工藝節(jié)點(diǎn)并不能實(shí)現(xiàn)晶體管密度的兩倍，而這正是摩爾定律的真正本質(zhì)。

　　從我的角度來看，圍繞摩爾定律存在很多困惑。

　　首先，摩爾定律長期以來一直與 Dennard Scaling 緊密交織和混淆，Dennard Scaling 表示平面 MOSFET 的速度和功率隨著晶體管密度的增加而按比例降低。在半導(dǎo)體的早期，當(dāng)一種新的工藝技術(shù)將晶體管面積縮小 50% 時(shí)，晶體管的速度會增加一倍，而功率則會減半。每隔幾年，我們就獲得了一半大小的晶體管，其速度是每個(gè)新工藝節(jié)點(diǎn)的一半，而運(yùn)行速度則是一半。那時(shí)確實(shí)是非常好的時(shí)代，摩爾定律正在全面發(fā)揮作用。然而，Dennard Scaling 是一個(gè)專門針對平面 MOS 晶體管的觀察結(jié)果，我們已經(jīng)有十年沒有使用最先進(jìn)的新工藝節(jié)點(diǎn)制造這種晶體管了。

　　摩爾定律不涉及晶體管功率或速度。摩爾定律說，芯片上的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。這就是它所說的。喜歡的可以查一下。Gordon Moore 于 1965 年 4 月 19 日在《電子》雜志上發(fā)表的原始文章，文章標(biāo)題是“將更多元件塞進(jìn)集成電路上”。它方便地發(fā)布在英特爾的網(wǎng)站上供您閱讀。這篇文章發(fā)表于摩爾和鮑勃諾伊斯創(chuàng)立英特爾的三年前，當(dāng)時(shí)摩爾和諾伊斯都還在飛兆半導(dǎo)體工作。

　　摩爾在他開創(chuàng)性的文章中進(jìn)行了令人難以置信的預(yù)測壯舉。半導(dǎo)體行業(yè)最終接受了他的預(yù)測并將其轉(zhuǎn)化為基于極少數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的自我實(shí)現(xiàn)預(yù)言。第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是單個(gè)晶體管。第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是最早的商用集成電路之一，稱為 Fairchild μLogic Type G RTL 芯片的 3 輸入 NOR 門。

　　根據(jù)大衛(wèi)帕特森博士的說法，摩爾定律一直持續(xù)到 2015 年，因?yàn)樗谋M了氣力。帕特森怎么會說摩爾定律在 2015 年消亡，而英特爾的高管們一致讓您相信摩爾定律在今天仍然存在并且很好？這是因?yàn)槟?1965 年論文第 2 頁上的一句話。那句話是：“……在單個(gè)半導(dǎo)體襯底上生產(chǎn)越來越大的電路功能?！?（重點(diǎn)是我的。）摩爾定律是關(guān)于單片集成電路的，而這不是半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)在的發(fā)展方向。

　　事實(shí)上，在2003年舉辦的第50屆國際固態(tài)電路會議上，在一個(gè)題為“No Exponential is Forever”的議題中，戈登·摩爾本人斷然指出：“沒有任何的物理事物可以持續(xù)成倍改變?！?摩爾定律在將近 20 年前就已經(jīng)消亡，而摩爾親眼目睹了這一點(diǎn)。

　　目前標(biāo)志著摩爾定律終結(jié)的典型代表是英特爾自己的 Ponte Vecchio GPU。英特爾正在使用 47 個(gè)有源“tiles”（英特爾對多芯片封裝中的小芯片或芯片的名稱）組裝這種集成設(shè)備，由來自五個(gè)不同半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的多家半導(dǎo)體供應(yīng)商制造，所有這些都使用 2.5D 和 3D 組裝組合在一個(gè)封裝中技術(shù)來生產(chǎn)具有超過 1000 億個(gè)晶體管的集成產(chǎn)品。

　　有人聲稱摩爾在他的文章中預(yù)見到了多芯片封裝。他們引用了這句話：

　　“事實(shí)證明，用較小的功能構(gòu)建大型系統(tǒng)可能更經(jīng)濟(jì)……”

　　但他們似乎省略了這句話的后半部分：

　　“……它們是分開封裝和互連的?！?/p>

　　在這里，摩爾清楚地討論了在一塊板上使用多個(gè)單獨(dú)封裝的芯片，這是自 1960 年代集成電路首次出現(xiàn)以來板級設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

　　在我看來，摩爾顯然不是在用這句話來預(yù)測今天的多芯片封裝。事實(shí)上，他的文章討論了在 10 年內(nèi)（即 1975 年）出現(xiàn)每個(gè) IC 具有 65,000 個(gè)元件的單片 IC 的可能性，這比 1965 年摩爾的文章出現(xiàn)時(shí)任何單個(gè)印刷電路板所能容納的分立元件都要多。

　　誰可能需要超過 65,000 個(gè)組件？如果摩爾當(dāng)時(shí)考慮過，而且他可能確實(shí)考慮過，那么他一定已經(jīng)看到，直到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的將來才會需要多芯片封裝技術(shù)。嗯，那個(gè)未來已經(jīng)到來。

　　英特爾的 Ponte Vecchio GPU 整合了來自五個(gè)不同工藝節(jié)點(diǎn)的 47 個(gè)tiles，將 1000 億個(gè)晶體管塞進(jìn)一個(gè)封裝中。（圖片來源：英特爾）

　　多芯片封裝之所以有意義，只是因?yàn)椴煌墓に嚬?jié)點(diǎn)提供不同的成本/性能/能力權(quán)衡，因?yàn)槲覀兲幱诋?dāng)前芯片制造設(shè)備的光罩極限，并且因?yàn)?2.5D 和 3D 封裝技術(shù)現(xiàn)在足夠?qū)嵱煤徒?jīng)濟(jì)這種方法在商業(yè)上有效。假設(shè)您擁有可靠且經(jīng)濟(jì)地組裝所有這些tile或小芯片所需的制造工藝，為什么不應(yīng)該使用最高效的半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)制造模塊和子系統(tǒng)？Ponte Vecchio無疑是一個(gè)工程奇跡，但它絕對不是單片芯片，因此它不是原始摩爾定律實(shí)際應(yīng)用的例子。

　　除了摩爾定律的大量神話基礎(chǔ)之外，對于我們大多數(shù)人來說，英特爾如何將 1000 億個(gè)晶體管塞進(jìn) Ponte Vecchio 封裝實(shí)際上并不重要。對于在設(shè)計(jì)中使用 Ponte Vecchio GPU 的系統(tǒng)工程師來說，這并不重要。對于使用在 Ponte Vecchio GPU 上運(yùn)行的圖形軟件或計(jì)算機(jī)游戲的人來說，這并不重要。設(shè)備的性能、功率和價(jià)格（所有工程設(shè)計(jì)的三個(gè)基本“P”）對于我們這些不熟悉封裝的人來說非常重要。

　　英特爾計(jì)劃以類似的方式構(gòu)建公司下一代至強(qiáng)處理器的代號 Sapphire Rapids。英特爾將使用基于公司 EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）技術(shù)的 4 個(gè) CPU 塊和 2.5D 組件制造 Sapphire Rapids。Sapphire Rapids 處理器的多個(gè)版本還將在同一封裝中集成多個(gè) HBM2（高帶寬內(nèi)存 2）DRAM 堆棧。

　　英特爾的 Sapphire Rapids 是下一代至強(qiáng) CPU，將包含由四個(gè) EMIB 橋連接的四個(gè) CPU 塊。（圖片來源：英特爾）

　　多芯片封裝并非英特爾獨(dú)有。AMD、Nvidia 和 Xilinx 都生產(chǎn)集成芯片，這些芯片在外部看起來像單片集成電路，但在內(nèi)部是多芯片設(shè)備——相互連接的tile或小芯片的集合。

　　例如，賽靈思在 2011 年推出了 Virtex-7 2000T FPGA。它基于多芯片封裝，將四個(gè) FPGA 管芯放在一個(gè)硅中介層之上。臺積電為賽靈思制造該器件。大約在同一時(shí)間，多芯片封裝使賽靈思能夠在其 Virtex-7 580T FPGA 中集成 28 Gbps 收發(fā)器，然后才能將這些收發(fā)器直接構(gòu)建到 CMOS FPGA 芯片中。賽靈思在每一代新 FPGA 中都擴(kuò)大了多芯片封裝的使用范圍。這很好地表明多芯片封裝運(yùn)作良好，至少對于 IC 市場的高端而言是這樣。

　　總而言之，歡迎來到埃時(shí)代。這是一個(gè)“超越摩爾”的時(shí)代。現(xiàn)在擺脫了將所有東西都放在一個(gè)芯片上的情感和經(jīng)濟(jì)需求，這個(gè)半導(dǎo)體制造的新時(shí)代已經(jīng)生產(chǎn)出比以往任何時(shí)候都更大、更好的集成設(shè)備。僅僅依靠單片 IC 和摩爾定律是無法提供這些好處的。

　　摩爾定律可能已死，但摩爾定律的精神永存。