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聊聊台积电与三星的4nm工艺“造假”事件

月初,TechInsights在Blog上发了这样一篇文章,谈台积电和三星这两家foundry厂在4nm工艺上“造假”的事实...

前年10月,我在知乎回答了一个问题“如果Intel14nm做出的CPU宣称是10nm的工艺,会有人发现吗?”当时觉得这个问题有趣,就试答了一下。我们认为,这么做大概率不行;从研究机构、用户和foundry/fab厂自身三个角度,都很难把这件事情圆过去。ZMWesmc

不过今年8月初,TechInsights在Blog上发了这样一篇文章,谈台积电和三星这两家foundry厂在4nm工艺上“造假”的事实。主要是基于TechInsight对于4nm工艺的剖析和拆解,认为台积电和三星所谓的4nm,和5nm工艺基本没有区别,却和客户一起对外宣称用上了4nm工艺...ZMWesmc

这件事在我们看来似乎有其合理性,又相当荒诞。不过此事也某种程度表现出,尖端制造工艺再不似往日那般迭代神速,连半代工艺更新(或BKM更新)都如此缓步。前几天“手机晶片达人”在微博发布消息甚至提到“TSMC内部决定放弃N3工艺,因为客户都不用,转2023下半年量产降本的N3E工艺;N3成本高,design的window又很critical;连Apple都放弃N3工艺。”ZMWesmc

且不论信息可靠性如何,联合TechInsights所说“假的”4nm一事,都可知尖端工艺领域,技术推进有多不易。要知道此前我们多番报道过3nm工艺已经延后了半年。如果初代N3节点真的被放弃,那么台积电这边的3nm工艺大规模量产实际的延后时间就将近1年了;Intel直呼内行。ZMWesmc

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4nm“造假”是怎么回事

TechInsights在博文中提到,首款采用台积电N4工艺的芯片是联发科天玑9000;而TechInsights对这款手机芯片做了分析,发现“关键工艺尺寸和台积电更早的N5产品完全一致”,所以“台积电宣称的4nm产品是假的(sham),也包括联发科宣称其为4nm处理器”。ZMWesmc

三星这边的情况则更窘:三星自家的Exynos 2200芯片采用4nm工艺,高通骁龙8 Gen 1也采用三星4nm工艺。但TechInsights认为,骁龙8 Gen 1用的分明就是5nm工艺。“为了避免用户选择竞品(lusting for one processor over the other),这两家公司决定将骁龙8 Gen 1作为4nm工艺来发布”。ZMWesmc

此前似乎有消息说骁龙8 Gen 1采用的乃是一种名为4LPX的工艺——而不是三星公开宣传中的4LPE。TechInsights认为4LPX在物理尺寸上(physically)和5LPE是没有区别的,所以三星也撒了谎。ZMWesmc

但这其中还有个细节,就是三星Exynos 2200还真的应用了4LPE工艺——这算是名副其实的4nm工艺了吧。只是悲惨的是Exynos 2200作为当代唯一“真正的”4nm芯片,在良率、能效等各方面的表现上都颇为糟糕,“尤其是其全新的图形引擎”——这一点我们在此前的分析文章里也谈过。三星4LPE实则比不上台积电N5。ZMWesmc

TechInsights表示,预计真正的台积电4nm将出现于今年9月将陆续上市的高通骁龙8+ Gen 1,以及苹果A16,即N4P工艺。ZMWesmc

至于这两家foundry厂为什么要这么做,TechInsights在博文中说,三星和台积电一直在工艺技术上赛跑;尤其是三星,虽然在工艺技术上略逊于台积电,却一直期望实现赶超。此前三星说要在2021年推4nm工艺——也就是比5nm问世时间大约晚一年。台积电原计划是要在5nm上市的2年以后再上4nm的,但听到三星这么一说,就决定把N4节点的时间“提前(pull in)”2个季度。ZMWesmc

但我们知道,尖端制造工艺可不是市场决定提前2个季度,技术就能立马跟上的,所以才有了这样一幕奇特的局面。ZMWesmc

工艺节点的命名问题

因为TechInsights针对骁龙8 Gen 1、天玑9000的剖析报告售价都非常高,我们一时半会儿也看不到针对台积电和三星“假”的4nm工艺的分析结果。不过实际上,这个问题就又回到了工艺节点的命名问题上。ZMWesmc

有关尖端工艺节点的命名问题,我们此前也特别撰文谈过。总结一句话就是:当代的尖端制造工艺,“nm”前面的这个数字本质上并不代表任何实际的晶体管或器件物理尺寸。从250nm节点以后,几纳米数字就不再指代常规意义上的栅极长度(gate length),而只有技术迭代的象征意义。ZMWesmc

那么行业里有没有一个规范,来要求不同foundry厂统一节点迭代后的命名称谓呢?还真的就没有。所以理论上,foundry厂想把自家新工艺叫任何名字都可以——当然这其中还存在行业、道德、竞品的各种客观约束,但这就不是技术层面要讨论的重点了。ZMWesmc

所以我们此前曾花大篇幅去细谈过,台积电和三星的5nm虽然都叫5nm,但它们技术层面的差别还是比较大的;而且这两家foundry厂的5nm在其各自技术更新路线图上所处的位置还大相径庭。ZMWesmc

从这个层面来看,foundry厂给自家技术节点起什么名字,那都是人家的自由。连Intel都能给已经量产的工艺节点改名,台积电和三星为什么就不行呢?(虽然Intel节点的改名,也是对台积电和三星感到万般无奈的结果)“我说它是4nm,那就是4nm,你管得着吗”这类表达...ZMWesmc

有关工艺命名,还有另一个常见(但也并不成文的)规则。由于半导体制造工艺技术进步比以前慢了很多,所以foundry厂和芯片设计厂商才会大力宣传同代节点的演进(如N5→N5P/N4),因为工艺完整升级(如N5→N3)中间间隔时间相比从前久了很多。在22nm节点以前,foundry厂几乎是不大宣传这样的小幅工艺改进的。ZMWesmc

N4就属于N5→N3的过渡工艺节点。它远远说不上是N5和N3之间的中间态,明确应为N5的改良工艺,而与N3相去甚远。通过观察同代工艺演进,还不难发现一个事实:一般同代工艺内的器件尺寸(晶体管)间距不会发生变化,而仅在标准单元、部分工艺流程、材料方面会有改进。ZMWesmc

所以一般同代工艺演进很难带来大幅度的晶体管密度提升,以及性能、功耗方面的显著革新。不过我们依然会发现,比如台积电说N4相比于N5能够实现6%的die面积缩减。这种芯片面积小幅缩减,或晶体管密度小幅提升,主要是由单元(cell)结构变化带来的,而不是晶体管层面的尺寸缩减。ZMWesmc

当然,基于当前半导体制造尖端技术难度和成本陡增,这种工艺改良也不简单。改良版工艺有时还能实现降本增效;对于foundry厂而言,还能成为其下一代完整节点更新的技术积累;也是两代完整工艺节点之间的缓冲,不仅是技术的缓冲,更是市场的缓冲。ZMWesmc

基于同代工艺演进这种规则,器件层面没有尺寸缩减实属正常;行业甚至存在Intel这种,为进一步提升性能,同代工艺演进(+++)平均“晶体管密度”变低的状况。ZMWesmc

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那么4nm造假了吗?

不过同代工艺技术演进,也存在晶体管密度大幅攀升的情况。比如说三星5LPE工艺,它在三星路线图上并不属于7LPP的完整迭代,而是7LPP同代工艺演进(这也是三星5nm与台积电5nm定位差异的一个体现)。5LPE在器件尺寸方面相比7LPP几乎没有变化,但仍然实现了“晶体管密度”的大幅攀升;这主要是通过引入新型的UHD单元库达成的。ZMWesmc

而三星4LPE工艺,起码在三星路线图上看来,是7LPP以后的一次完整迭代(虽然其性能、功耗方面的改进幅度相比5LPE相当小)。这令三星4LPE扮演的角色与台积电N4又很不一样。如果抛开“几纳米”主流话语权在台积电手上这件事,4LPE在三星foundry内部的地位应当也是很重要的,因为两家foundry厂的技术演进节奏是不一样的。ZMWesmc

基于5LPE仅为7LPP的同代工艺改良,4LPE才是7LPP的完整迭代;而N5是N7的完整迭代,N4仅为N5的同代工艺改良——理论上市场就不应该期待4LPE和N4同时到来。这也更好理解为什么在原计划的路线图里,台积电N4当晚于三星4LPE到来。不过市场竞争似乎不大理这一套,如文首提及TechInsights的猜测那般。ZMWesmc

4LPE在Exynos 2200之上的如约而至因此就很好解释了。只不过三星在4LPE节点上表现仍然拉垮。三星面临的大麻烦,又岂止是3nm工艺落后一文就提到了高通并没有选择4LPE工艺,而是一种名为4LPX的5nm改良款工艺,密度稍逊于4LPE——这则消息同样来自TechInsights。ZMWesmc

TechInsights在对骁龙8 Gen 1的拆解中发现,4LPX工艺中很难找到4nm特性(hardly found '4nm' features)。SemiAnalysis此前撰文称,三星foundry近两代工艺的parametric yield良率糟糕,且从Exynos 2200的表现来推测,高通最终没有选择4LPE是在情理之中的。ZMWesmc

至于特供的“4LPX”究竟是不是原版5LPE,那就只有三星和高通知道了。这里涉及到一个问题,就是既然“4nm”不存在一个基准,那么怎么理解4LPX和N4是不是4nm的问题呢?我们认为,这主要取决于foundry厂做出来的成品是否与其前期宣传中提到的参数提升一致。如果一致,就可以认为该技术是4nm;如果打了折扣则可认为存在“造假”的可能性。ZMWesmc

只是一方面我们也不清楚TechInsights针对工艺研究达到怎样的深度。原本如果只是器件和单元层面的尺寸测量测试,还是很难反映工艺是否有改良或迭代。不过三星自己的路线图都明确了4nm是一次器件尺寸缩减的完整工艺升级,所以4LPX的存在的确有些说不过去。所以4LPX更像是个市场动作。ZMWesmc

至于台积电,N4不做尺寸缩减说不说得过去?那就有更大的商榷余地了。毕竟N4真的就只是N5的改良款。只不过从TechInsights的措辞来看,天玑9000的N4大约也未能达成此前台积电宣传中的die面积缩减。加上台积电“提前”N4工艺亮相时间,大概率是为了赶上三星4LPE发布时间点,其相比于N5改良的多少也的确值得怀疑。ZMWesmc

N4是否是“真正”的4nm这个问题原本是没有标准答案的。但很快N4P的问世,将有助于我们了解N4究竟是台积电4nm的如约而至,还是台积电的一次市场动作。有趣的是,英伟达在今年的GTC Spring上提到自家新款GPU将基于台积电4N工艺——据说是台积电为英伟达定制的4nm工艺,那么对所谓“4N”工艺的分析大概又会很有趣。ZMWesmc

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随着半导体尖端制造工艺技术成本的持续跃升,foundry厂市场竞争的一个重要方向就是持续吞噬对手的市场,否则只能被迫降低投入、减缓技术迭代速度,并在竞争中失去优势。因为成本增速已经快于行业本身的增速。未来尖端制造工艺或许还会面临更大的不确定性,尤其是当器件结构步入GAAFET之后,而4nm节点的这一市场现状不过是个前菜罢了。ZMWesmc

责编:Elaine
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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