Intel的10nm工藝現(xiàn)在改名叫7nm了，原7nm改名叫4nm，原7nm+改名叫3nm，原5nm改名叫20A，原5nm+則叫做18A——驚不驚喜，意不意外？這是Intel未來5年內(nèi)的半導體制造工藝節(jié)點新規(guī)劃，Intel還宣布2025年要重現(xiàn)昔日榮光（technology leadership by 2025，主要是從每瓦性能的角度）。好像把工藝節(jié)點的名字改掉，的確是個不錯的捷徑——你看10nm改叫7nm以后，7nm瞬間就提前量產(chǎn)了……
這則消息當然引發(fā)了不少吐槽，工藝節(jié)點的名字怎么說改就改了？這篇文章就來說道說道最近的Intel Accelerated活動中，Intel放出的有關(guān)其制造工藝的新技術(shù)，以及對未來的展望，看看Intel的工藝改名計劃究竟靠不靠譜。
事實上，在Intel CEO Pat Gelsinger上任以來，Intel的市場活動也愈發(fā)頻繁了，這在我們看來是個積極的信號——畢竟現(xiàn)如今Intel在制造工藝上落后于競爭對手，牽動著Intel整個公司的發(fā)展脈絡(luò)。包括此前Intel宣布IDM 2.0計劃，其中有兩個對Intel而言頗具變革性的事件：Intel的部分芯片會外包給其他foundry廠制造（如臺積電），以及Intel的foundry廠也要開始接外部的單子了（也就是所謂的IFS服務(wù)）。
Intel這兩天放出的消息包括：亞馬遜和高通會成為IFS的首批客戶——這是個大新聞，雖然我們不清楚亞馬遜和高通會把具體什么樣的芯片交給Intel去造。
除此之外，就是Intel原本的工藝節(jié)點名字作了改動，當然并不像文首說得這么簡單；還有未來5年內(nèi)一些大方向的技術(shù)路線，比如說2024年的20A工藝要開始采用RibbonFET晶體管了（也就是Gate All Around FET）、新增一種PowerVia技術(shù)；封裝工藝方面，EMIB要迭代換bump間距更校的版本，而Foveros則將更新第三代的Foveros Omni，以及第四代的Foveros Direct。
我們來逐項簡單看看，這些工藝技術(shù)能不能讓Intel在2025年重現(xiàn)昔日榮光。注意本文的最后兩部分為選讀內(nèi)容，感興趣的讀者可選擇性閱讀。
Intel工藝節(jié)點改名，是不是噱頭？
我們多次撰文重申過，如今foundry廠所謂的“幾nm”工藝，事實上并不存在現(xiàn)實意義——比如市場上采用7nm或5nm工藝制造的芯片，其晶體管器件并不存在任何一個圍度的物理尺寸是7nm或5nm。如今的工藝節(jié)點名稱，只是個稱謂，已經(jīng)不具備數(shù)據(jù)上的指導意義。
而且不同的foundry廠，對某一個工藝節(jié)點的定義還差別巨大，比如臺積電5nm和三星5nm，根本就不是同一個東西——不僅體現(xiàn)在器件尺寸、密度方面的差異很大，還體現(xiàn)在臺積電5nm是相對7nm的完整迭代，而三星5nm則只是其7nm的同代加強。
這就造成了事實上“幾nm”這個稱謂，不再具有不同廠商之間做對比的可行性。如果用“冒進”和“保守”來形容foundry廠的節(jié)點名稱特點，無疑三星是最為冒進的，而Intel則是最保守的。此前我們撰文探討過Intel的+/++/+++命名法，或許以三星的標準來看，Intel的14nm+++工藝，完全可以命名為12nm，甚至10nm。
這導致，Intel的工藝看起來一直在原地踏步，一個加號跟著一個加號；而別家的工藝則可能在此期間“看起來”已經(jīng)更新了兩代。現(xiàn)在foundry廠的制造工藝節(jié)點命名已經(jīng)徹底放飛自我了，尤其是三星。
單純從晶體管密度（對應(yīng)工藝的最高密度單元）角度來看，Intel 10nm工藝的晶體管密度為100.76 MTr/mm?（百萬晶體管/平方毫米）；而三星7nm工藝（7LPP）晶體管密度為95.08 MTr/mm?（Wikichip估算的數(shù)據(jù)）。雖然高密度單元的晶體管密度，并不能簡單說明工藝節(jié)點的性能表現(xiàn)，但這兩個數(shù)字對比大致上可以體現(xiàn)這兩家foundry廠在工藝節(jié)點命名上的偏向性。
事實上，從Intel的規(guī)劃來看其原本的7nm工藝，在晶體管密度上比臺積電5nm也要高出一截，預(yù)期理論性能也會高于后者，但Intel 7nm的延期也是眾所周知的了。
更夸張的還可以體現(xiàn)在后續(xù)工藝節(jié)點上，早前Intel規(guī)劃中的7nm節(jié)點晶體管密度預(yù)計會超過200 MTr/mm?；而三星4nm（4LPE）工藝晶體管密度也才137 MTr/mm?（Wikichip估算的數(shù)據(jù)）。從晶體管密度這個角度來看，和三星一比，Intel把原本的10nm++改名為7nm，將原本的7nm改名為4nm是不是顯得相當合情合理？雖然仍需重申，晶體管密度值（尤其特指HD單元）并不能作為某代工藝節(jié)點實際表現(xiàn)的唯一參考。
基于此，Intel期望將自家的工藝節(jié)點命名方法，與行業(yè)的普遍做法（其實也就是臺積電和三星的做法）“對齊”，徹底舍棄+++式命名方法，力爭向三星看齊（誤）……比如這次將7nm改名為4nm，就是為了表明其規(guī)劃中原7nm工藝，是優(yōu)于臺積電5nm工藝的。
目前依然落后的事實，與5年計劃
我們甚至認為，市場宣傳上Intel早就該這么做了。不過這種工藝節(jié)點改名策略，對其客戶（無論是芯片設(shè)計廠商，還有更下游的PC OEM廠商）而言，并不存在太大影響，畢竟工藝節(jié)點并不會因為名稱變化而讓制造技術(shù)發(fā)生實質(zhì)性變化。但這種改名策略，對于技術(shù)愛好者、行業(yè)分析師，以及公司股票而言可能都有更積極的價值。
Intel這次的工藝改名計劃整體上還是沒有表現(xiàn)得十分激進，至少和三星比是如此（誤）。所以雖然改了名字，但也沒有改變Intel制造工藝技術(shù)現(xiàn)階段落后于競爭對手的事實。我們來看看這次究竟是怎么改名的。
?。?）首先是10nm SuperFin（10SF）工藝節(jié)點名稱不變，畢竟采用10SF工藝的產(chǎn)品已經(jīng)大規(guī)模上市了，主要包括11代酷睿Tiger Lake。再改名的話容易引起混亂。這兩年Intel在10nm工藝上始終處于難產(chǎn)狀態(tài)，隨Tiger Lake-H45的發(fā)布，10nm的良率和產(chǎn)能應(yīng)當都已經(jīng)完全跟上。Intel也確認10nm晶圓產(chǎn)量目前已高于14nm晶圓。10SF工藝相比初代10nm工藝的改進，此前我們撰文詳述過。
?。?）就AMD和Intel的x86處理器來看，Intel實際上未能達成在10SF工藝上相比臺積電7nm工藝的絕對領(lǐng)先，尤其是較低性能區(qū)間的功耗表現(xiàn)上。那么改進版的10nm Enhanced SuperFin（10ESF，也就是10nm++）計劃中應(yīng)該是強于競品7nm的，所以10ESF更名為Intel 7。
所以Intel 7理論上當算是10nm工藝的同代改良。今年年底預(yù)計我們就能見到采用Intel 7工藝的產(chǎn)品，包括12代酷睿Alder Lake，還有明年初的至強Sapphire Rapids，這才叫通過改名瞬間實現(xiàn)7nm量產(chǎn)……據(jù)說Intel 7的確帶來了一些尺寸上的變化，在能耗控制、供電、金屬堆棧方面均有變化，具體情況未知。Intel宣稱Intel 7相比10SF實現(xiàn)了10-15%的每瓦性能提升，而且強調(diào)“這等同于完整節(jié)點迭代帶來的性能提升”。
?。?）其次是原本的7nm更名為Intel 4，計劃2022年下半年量產(chǎn)——也就是此前Intel CEO宣布已經(jīng)在今年Q2達成tape-in的節(jié)點，14代酷睿Meteor Lake、至強Granite Rapids會采用Intel 4工藝。計劃中這也是Intel首個將要采用EUV極紫外光刻技術(shù)的工藝（Wikichip的數(shù)據(jù)是會有至多12層采用EUV），主要是在BEOL；Intel 4預(yù)計相比Intel 7可達成20%的每瓦性能提升。
（4）Intel 3節(jié)點理論上應(yīng)該是此前的原7nm+工藝，相比Intel 4預(yù)計實現(xiàn)18%的每瓦性能提升。具體工藝上會有個晶體管更密集的HP（高性能）標準單元庫；縮減via電阻；用到更多的EUV層。Intel 3量產(chǎn)時間定在2023年下半年。
其實從Intel 4和Intel 3這兩代節(jié)點的規(guī)劃時間來看，雖然工藝節(jié)點名稱下探到了3nm，但時間還是比臺積電和三星規(guī)劃中的3nm更晚。所以到這個階段，改名也并未改變工藝落后的事實。
值得一提的是Intel 3工藝節(jié)點仍會繼續(xù)沿用FinFET晶體管。這樣一來，在3nm節(jié)點上，僅有三星選擇了轉(zhuǎn)向GAAFET結(jié)構(gòu)晶體管（臺積電稱其為GAAFET，三星稱其為MCBFET）。不過此前我們在4nm解讀文章中也提到了三星4nm會成為一個新的完整迭代節(jié)點，三星4nm規(guī)劃上不再作為7nm的同代改良節(jié)點。
?。?）而Intel轉(zhuǎn)向GAAFET結(jié)構(gòu)晶體管預(yù)計要等到2024年上半年的Intel 20A。這個節(jié)點名字比較奇特，單位A不再是納米，而是“埃（angstrom）”，1納米=10埃。果然foundry廠對工藝節(jié)點命名都逐漸我行我素了，不知道臺積電和三星會不會跟進。Intel把自家的Gate-All-Around FET晶體管稱作“RibbonFET”。隨Intel 20A一同到來的，還有PowerVia技術(shù)。有關(guān)RibbonFET和PowerVia，后文會提到。
單純從轉(zhuǎn)向GAAFET的速度來看，Intel 20A在時間節(jié)點上會比臺積電和三星至少晚1年（臺積電2nm）。不過到這時，可能很難再預(yù)期評價這幾家foundry廠彼時的能力。三星雖然更早轉(zhuǎn)向GAAFET，但我們對其3nm工藝是不樂觀的——雖然三星3GAA工藝PDK前年就進入了Alpha階段，宣稱3GAA工藝量產(chǎn)是明年。
但從三星在IEDM上更新的數(shù)字來看，其3nm工藝的性能和功耗表現(xiàn)提升實在稱不上亮眼（相比7nm有10-15%性能提升，25-30%功耗降低），相比三星2019年最初給出的數(shù)字也更保守了。加上三星目前對待4nm的態(tài)度發(fā)生變化，不負責任地猜測三星3nm工藝有可能會不及預(yù)期（時間和表現(xiàn)兩方面）。
而臺積電這邊在3nm節(jié)點上，此前相當自信地表示，F(xiàn)inFET仍有余地實現(xiàn)較大程度的性能與功耗表現(xiàn)提升。N3雖然仍采用FinFET，卻能夠?qū)崿F(xiàn)相比N5大約50%的性能提升、30%的功耗縮減。后續(xù)N2節(jié)點轉(zhuǎn)向GAAFET的技術(shù)細節(jié)目前未知。從已知信息看來，臺積電在2nm時代仍將有顯著優(yōu)勢，不過這話可能說得有點遠了。
值得一提的是，Intel 3、Intel 20A工藝均面向芯片設(shè)計客戶開放，也就是Intel IDM 2.0計劃中的IFS服務(wù)。
?。?）最后是Intel規(guī)劃中要重回領(lǐng)導者地位的Intel 18A，預(yù)計2025年（下半年？）量產(chǎn)。Intel有信心在這一代產(chǎn)品上重回“領(lǐng)導者”地位，似乎是基于Intel屆時會采用ASML最新的high-NA（高數(shù)值孔徑）EUV光刻機，Intel宣稱會成為業(yè)界首個拿到這種光刻機的企業(yè)。恰巧我們最近拜訪了ASML China位于上海的辦公室，ASML也提到光刻機越大的NA，就能實現(xiàn)更高的光刻分辨率。
NA數(shù)值孔徑的概念和攝影鏡頭中的光圈（入瞳徑）比較類似，簡單理解它決定了EUV光束寬度。越寬的光束，打到晶圓上、強度越甚（可能也相關(guān)更大的衍射角）。AnandTech給出的數(shù)據(jù)提到，目前EUV系統(tǒng)的NA值是0.33，而新系統(tǒng)會達到NA 0.55。Intel或許就有機會搶占這一高地，畢竟Intel入局EUV應(yīng)該是三大主要市場參與者中最晚的。
Intel如果真的想要在未來5年內(nèi)重回昔日領(lǐng)導者地位，恐怕需要嚴格按照這份計劃表來執(zhí)行，甚至某些情況下需要超額達成目標才有機會。以行業(yè)與Intel此前公布計劃表的常規(guī)來看，大家普遍很難按時達成目標，所以這份時間表執(zhí)行起來大概還存在諸多變數(shù)，也包括臺積電和三星。
有關(guān)RibbonFET晶體管、PowerVia技術(shù)（選讀）
有關(guān)Intel制造工藝節(jié)點改名和5年規(guī)劃的梗概，就談到這里；雖然其中變數(shù)甚多，但對于提振Intel及其生態(tài)的信心應(yīng)該是很有價值的。以下內(nèi)容談?wù)処ntel Accelerated活動中強調(diào)的幾個重點技術(shù)，作為本文的選讀內(nèi)容。包括Intel 20A工藝要引進的GAAFET晶體管——名為RibbonFET，和一同出現(xiàn)的PowerVia技術(shù)；以及Intel對于EMIB和Foveros的2.5D/3D封裝工藝更新。
對Gate-All-Around場效應(yīng)晶體管有過了解的同學，對其結(jié)構(gòu)應(yīng)該也不會陌生了。GAAFET被認為是FinFET之后，器件尺寸進一步微縮之時，將會采用的一種新型晶體管結(jié)構(gòu)。Intel的這張圖很好地解讀了GAAFET和FinFET的結(jié)構(gòu)差異。Intel把自家的GAAFET稱作RobbinFET。
左邊的FinFET是Intel早在22nm時期就引入的一種Tri-Gate晶體管器件，有3個fin。其實FinFET相比更早期的平面晶體管結(jié)構(gòu)，凸起的fin很好地增加了它與gate之間的接觸面積——在晶體管尺寸微縮的同時，又能增加驅(qū)動電流。而3個fin，則進一步增加了總的驅(qū)動電流，實現(xiàn)性能的提升。
在器件進一步微縮的過程里，GAAFET結(jié)構(gòu)變化也是為了達成這種目的，看起來就像是以前的fin轉(zhuǎn)了個方向。Intel展示的PMOS和NMOS器件都是4-stack nanoribbon設(shè)計，可能是研究權(quán)衡下的結(jié)果。
除了RibbonFET之外，2024年將要到來的Intel 20A工藝另一個比較重要的技術(shù)叫PowerVia。比較傳統(tǒng)的芯片制造，是先從晶體管層和M0層開始，再往上會疊十幾、二十層金屬層。金屬層通常逐層尺寸變大，這些金屬層用于芯片不同區(qū)域、晶體管之間的連線；最頂層用于外部連接。一般上方的這些連線遍布著供電網(wǎng)絡(luò)和信號通路。
PowerVia就不是這么干的——這種技術(shù)會把所有供電網(wǎng)絡(luò)全部都移到晶體管另一側(cè)（back-side power delivery），令供電網(wǎng)絡(luò)放在晶體管底下。Intel表示，傳統(tǒng)的互聯(lián)技術(shù)，供電和信號線路混雜，對性能和功耗都會有影響。傳統(tǒng)方案在設(shè)計上需要確保沒有信號干擾——供電線路就是信號通路的干擾；互聯(lián)信號通路本身也會對供電電阻產(chǎn)生影響。所以把雙方移到晶體管兩側(cè)也就解決了問題。
如此一來，供電網(wǎng)絡(luò)就能直接連接晶體管，而不需要通過上方的互聯(lián)堆棧；而信號互聯(lián)又能更密集，信號傳輸效率、包括延遲表現(xiàn)也就有了提升；電力互聯(lián)部分電阻也減少。最終實現(xiàn)性能、功耗、面積的同時優(yōu)化。
PowerVia應(yīng)該是行業(yè)內(nèi)對于back-side power delivery技術(shù)比較早的踐行了，雖然也要等到2024年的Intel 20A。而且這種技術(shù)本身也存在很多挑戰(zhàn)，比如說在這種技術(shù)下，晶體管是夾在兩者中間的——以前傳統(tǒng)制造方案，雖然制造的時候晶體管在底層，但封裝時通常以倒裝的方式進行，最終晶體管實際上位于最頂層——而現(xiàn)在夾在中間，則散熱問題需要考慮。
還有其他各種工序、制造難度增加之類的問題。這類技術(shù)的開發(fā)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)持續(xù)多年了，相關(guān)paper也時有發(fā)布，其現(xiàn)存的技術(shù)挑戰(zhàn)依然不少。Intel表示在PowerVia技術(shù)上研究良久，現(xiàn)有成果也令其有信心將其應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)。
EMIB與Foveros封裝技術(shù)更新（選讀）
Intel EMIB和Foveros作為2.5D/3D封裝時代的技術(shù)，我們在此前的文章中已經(jīng)有過介紹了。它們都是把多顆die/chiplet，連接起來的封裝技術(shù)。其中EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge），和直接通過封裝基板走線、以及藉由interposer硅中介來實現(xiàn)chiplet的互聯(lián)（典型如臺積電CoWoS）這兩種方案都不同，如下圖第三種方案。
EMIB通過所謂的silicon bridge——將其直接嵌入到封裝基板，以較低成本（相比硅中介）實現(xiàn)chiplet之間相對比較高效的互聯(lián)。有關(guān)EMIB，本文不再多做介紹，Intel對EMIB的宣傳也不是一天兩天了，也有類似Kaby Lake G這種比較知名的產(chǎn)品問世（就是Intel CPU+AMD GPU核顯的那款神奇處理器芯片）。
這項封裝技術(shù)未來還會應(yīng)用于包括至強Sapphire Rapids、14代酷睿Meteor Lake以及數(shù)據(jù)中心GPU產(chǎn)品之上——EMIB的大規(guī)模應(yīng)用，預(yù)計也會讓Intel處理器堆CPU核心不再像現(xiàn)在這么難。
不過Intel這次提到，EMIB的bump間距未來會進一步縮減。Chiplet連接到silicon bridge的時候，是通過bump連接的，bump間距縮減也就實現(xiàn)了更高的連接密度、更大的帶寬、更小的bridge尺寸。2017年的初代EMIB技術(shù)bump間距為55μm，下一代會縮減至45μm，第三代則進一步縮減至小于40μm。
至于Foveros 3D封裝，Intel此前小規(guī)模生產(chǎn)的酷睿Lakefield芯片就是典型，是一種將不同的chiplet/die垂直堆疊起來的技術(shù)。此前Lakefield芯片，主要是base die和compute die兩層的Foveros 3D堆疊。其中base die采用22FFL工藝制造，這層die包括了I/O、安全相關(guān)的組成部分；而上層的compute die則主要有CPU、GPU核心之類的計算組成部分，采用10nm工藝制造。
Foveros、EMIB是可以一起用的，Intel規(guī)劃中的Meteor Lake、Ponte Vecchio GPU也都會用上Foveros技術(shù)——不過相比初代Foveros，迭代的Foveros也有一些改進。據(jù)說Meteor Lake要用的二代Foveros（與Intel 4工藝同期），會把bump間距縮減至36μm，實現(xiàn)相比初代Foveros翻倍的連接密度。
看起來封裝技術(shù)的互聯(lián)尺寸縮減現(xiàn)下也正如火如荼的進行中。這次Intel主要更新的是Foveros Omni（雙向互聯(lián)，Omni-Directional Interconnect）和Foveros Direct。
其中Foveros Omni技術(shù)更新（第三代Foveros）上，是對于上層die而言，可以銅柱（Cu column）的方式直接為上層提供電力和信號，對于減少TSV（硅通孔）帶來的效率損失、提升信號完整性都有價值。（在初代Foveros的堆疊方案中，上層die的供電需要藉由TSV從底層封裝、貫穿下層base die、再抵達上層，TSV供電對本地數(shù)據(jù)通路存在干擾）
另外這種技術(shù)在設(shè)計上，允許下層die比上層die尺寸更小，上層、下層die也都可以有多個，可以體現(xiàn)出更靈活的設(shè)計和制造方案（不同die也因此可以采用不同的工藝制造）。
把供電部分都移到底層base die外部，其實本身也有助于bump密度提升。預(yù)計Foveros Omni的bump間距為25μm，密度相比上代提升50%。Foveros Omni預(yù)計量產(chǎn)是在2023年。
不過我們從AMD前不久宣布在Zen 3處理器上應(yīng)用的3D V-Cache看來，臺積電CoW采用hybrid bonding方案，其bonding間距在量級上是顯著優(yōu)于Foveros的。Intel這次更新的Foveros Direct（第四代Foveros）似乎就是一種hybrid bonding（混合鍵合）實施方案，采用直接的銅-銅鍵合，而不再是microbump鍵合連接（帶錫焊帽的銅柱，尺寸相對更難做小，也存在電力傳輸損失）。同類技術(shù)臺積電也一直在積極研究。
Intel表示Foveros Direct實現(xiàn)die-to-die連接的鍵合間距≤10μm，相比Foveros Omni有著6倍的密度提升（>10000 wires/mm?）。且全銅連接方案也意味著更低的電阻和功耗。此外，F(xiàn)overos Direct可以與Omni配合使用——比如兩層die堆疊連接主要采用Foveros Direct，而上層die的電力連接則延伸到下層base die外部采用Foveros Omni方案。
Foveros Direct實現(xiàn)量產(chǎn)也是2023年。感覺從EMIB、Foveros技術(shù)更新來看，Intel與臺積電的較量也正很大程度在2.5D/3D封裝技術(shù)上展開。
最后總結(jié)一下本文內(nèi)容。（1）Intel將5年內(nèi)的制造工藝作了全線的改名處理，與業(yè)界常規(guī)工藝節(jié)點命名方案實現(xiàn)“接軌”；（2）Intel計劃在2025年重獲昔日榮光（表現(xiàn)在每瓦性能維度上）；（3）2024年的Intel 20A工藝節(jié)點之上，Intel將采用RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)，以及PowerVia技術(shù)；（4）未來幾年內(nèi)，除了工藝節(jié)點跟進，EMIB與Foveros封裝技術(shù)也將相應(yīng)獲得更新。
那我們就拭目以待Intel的5年計劃能否順利執(zhí)行，并達成Intel所愿。其實從大方向來看，此前Intel原7nm工藝宣布再度延后之前，Intel也曾在公開場合提到過制造工藝暫時落后于競爭對手，并將在5nm時代回到原有的領(lǐng)導者位置?？紤]原5nm+就是2025年的Intel 18A，Intel的此番5年計劃決心似乎也不是近期才有的。
