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細說Intel與Samsung的14nm技術

《中無通訊》第70期 文︰ 世界網絡 www.581895.tw 林和安 小洛夫

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根據ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)的發展藍圖,今年是半導體界導入14nm制程的一年,維持每兩年一代的技術進步。首推14nm制程的榮譽一如以往由半導體界的龍頭Intel取得。不過Intel的強勢的背后,市場競爭卻出現轉變。首先是Intel在14nm的對手已經由AMD變成Samsung及Globalfoundries聯盟,甚至是TSMC在發展中的16nm制程,即俗稱的半代工藝升級。另一是首批應用到14nm的CPU皆屬于Mobile而非Desktop傳統追求高性能的領域,反映市場環境的改變。

ITRS的發展藍圖︰

年份 制程

1971 10μm

1974 6μm

1977 3μm

1982 1.5μm

1985 1μm

1989 800nm

1994 600nm

1995 350nm

1997 250nm

1999 180nm

2001 130nm

2004 90nm

2006 65nm

2008 45nm

2010 32nm

2012 22nm

2014 14nm

2016 10nm

2018 7nm

2020 5nm

* 紅色代表未推出

Intel 14nm技術先拔頭籌

從22nm進入14nm制程,最直接的效用是晶體管尺寸的縮小外。據Intel在今年8月8日公布的14nm制程詳情。Intel 14nm制程比22nm,Transistor Fin Pitch從60nm縮至42nm,減少30%;Transistor Gate Pitch從90nm縮至70nm,減少22%,最后是Interconnect Pitch從80nm縮至52nm,減少35%。同樣的SRAM存儲器電路,22nm時為0.108um2,14nm時為0.0588um2,差不多是原來的一半左右,十分顯著。

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在Interconnects方面,22nm時為80nm,14nm只要52nm。

二代Tri-gate晶體管進一步增加密度

Tri-gate又稱3D晶體管技術,最大的好處是比傳統的晶體管可以幾何級數增加晶體管的數目,此項技術由Intel最先于22nm制程時導引,目前各家廠商已在開發類似的產品,所以Intel在推出14nm的同時導入了第二代Tri-gate晶體管技術。

第二代Tri-gate大大改進了Transistor Fin構造。除了上述Transistor Fin Pitch從60nm縮至42nm外,其高度也從34nm增至42nm,可增加drive current及效能,最終使Transistor Fin的數目得以減少,可增加芯片的密度,降低電容值等等。

按照Intel的計劃,今年內位于美國Oregon及Arizona州的工廠會率先導入14nm,明年會加入Ireland的工廠,并實現明年第一季大量出貨的目標。

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在Intel示范中,在22nm時需要3根Transistor Fin達到的功能,因為有第二代Tri-gate,只要2根即可。

14nm的Pentium-M移動處理器

上述14nm技術的優點主要屬于理論性的,它應用在產品的表現又如何呢?以下即以Intel首顆14nm Pentium-M來作說明。如無意外的,代號Broadwell的14nm Pentium-M也是今年內唯一的Intel 14nm CPU,因為早于去年Intel已經表示,在2014年不會在Desktop平臺推出14nm CPU。這多少與Desktop市場出現萎縮,用家升級周期延長有關。Broadwell發表在9月5日的德國柏林IFA展期中,Intel表示采用Broadwell的產品將于圣誕假期先行上市,而于明年大量上市。

據Intel表示,Broadwell與現在的Haswell-Y比較,可以降低2倍的TDP功耗,其較低的功耗使2-in1筆記本計算機只用少于9mm的無風扇散熱方案。而在尺寸方面,Broadwell的芯片連封裝尺寸只是上一代的50%,厚度減少30%,芯片閑置Idle功耗比原來少60%,可有效增加電池使用時間。

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22nm(左)與14nm(右) Pentium-M SOC封裝的比較。拜新技術所賜,封裝面積僅有原來的50%。

害怕對手Intel強調產品優勢

Intel在談到14nm技術特點之余,罕有地與競爭對手14nm制程作出比較。據Intel表示,競爭對手一般在Intel之后推出新制程,以更佳的性能作為賣點。而在14nm上,Intel一推出即取得比競爭對手未推出的14nm制程較高的密度。這是因為Intel是Fin FET技術的先行者,目前已推出第二代Tri-gate技術,所以能夠提供較高的密度。

筆者認為,Intel作為半導體的龍頭大家,向來不會把競爭對手的產品放在眼內,除非產品面對威脅,否則很少會主動與競爭對手的產品作比較。印象中Intel上次在受對AMD Athlon 64處理器威脅時,也主動發布Core 2處理器與Athlon 64處理器。在這次14nm,Intel一反常態主動比較了與競爭對手的14nm,可見競爭對手成功給予Intel一定的壓力。因為上一代22nm制程時,競爭對手接近2年都沒有同級產品登場,反觀這次的14nm制程可能不到半年即面對競爭對手產品的威脅,Intel優勢大大收窄。

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面對競爭對手亦步亦趨,Intel強調其14nm制程在密度上如何領先對手。

Samsung與Globalfoundries聯盟的14nm

除了Intel的14nm外,近年在半導體市場十分積極的Samsung也找來Globalfoundries合作關發14nm制程,預計在2015年左右推出相關CPU產品。由于Globalfoundries的前身是由AMD分拆出去的CPU生產部門,所以有AMD與Intel之爭的延續,代表AMD重新回到有力競爭Intel的位置。說到Globalfoundries近來的可說是命途多舛,獨立后整合多家半導體工廠如新加坡的特許半導體而銳意打造成為像TSMC的專業代工廠。此后致力于為客戶提供更多制程選擇而非專注于最新制程技術發展,比如先后推出了28nm及20nm這些過去AMD不愿意開發的半代制程(原先應該為22nm)。如果一直順利的話,AMD將于2015年左右采用14nm制的第4代APU產品,較現時第3代APU的28nm制程差不多一次過升級了兩代產品。

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Samsung與Globalfoundries聯盟的14nm已從現有的Planar架構進化為3D、FinFET架構。

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Samsung的S2 Fab, S3 Fab及S1 Fab,Globalfoundries的Fab 8,將會負責生產14nm晶圓。

先后推出14LPE及14LPP

Samsung及Globalfoundries公布14nm資料較Intel為少,僅表示會采用FET技術,而且會提升Transistor Fin的高度,與Intel的第二代Tri-gate技術做法相似。

另外,還會采用更進取的gate pitch、更小的存儲器方案以及創新的layout schemes以容納更復雜的邏輯電路等等。

對于14nm,Samsung聯盟表示會先推出14LPE版本,隨后會推出加強版本14LPP,特點是有更高的效能,更減的低功耗等等。性能表現方面,聯盟表示第一版的14LPE可以比20nm達成20%效能提升、降低35%功耗,以及縮小15%面積等等。

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Samsung聯盟會先后推出14LPE及14LPP兩個版本。

TSMC 16nm成另類選擇

TSMC一向喜歡以半代制程為市場提供另類的選擇,以降低技術風險及開發時程。在這次14nm制程也不例外,于今年9月25日,宣布成功為海思半導體有限公司生產出16nm FinFET ARM CPU,可見其與客戶的緊密合作關系,確保新技術得到市場上最大的支持。

對于16nm FinFET制程,TSMC同樣沒有透露太多技術細節,反而更多著眼于新技術帶來的好處。據TSMC方面表示,其16nm FinFET制程可顯著提升速度,降低功率及漏電流等等。與現時TSMC的28nm HPM制程相比,新技術的芯片閘密度增加兩倍,在相同功耗下速度增快逾40%,或在相同速度下功耗降低逾60%。而海思半導體有限公司則表示,采用TSMC 16nm FinFET制程的ARM Cortex-A57核心工作時間可達2.6GHz,可見比現時28nm的ARM Cortex-A57核心的2.0GHz增加了一定的主頻,為用家帶來更高的性能。

結論︰用家更關心成品

最后,筆者認為單單比較各家14/16nm制程的長短不會有太大的意義,反而是采用該技術生產產品性能的好壞,才最吸引用家。這方面最成功的是TSMC,近年發布新產品均能與客戶緊密合作,其次是Intel,因為Intel的工廠主要為Intel自家的產品服務?紤]到成本等等的因素,明年手機及平板計算機主流產品應該還是28nm制程,而筆記本計算機因為為Intel所壟斷,采用那一款制程主要視乎Intel的出貨意愿。

然而隨著14nm制程的登場,預計明年將有更多高性能的移動處理器發布,如3GHz手機CPU,或是8核心的64bit手機CPU都不是夢。

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