作者| 宇多田

出品| 虎嗅科技組

封面| 視覺中國

自從去年英特爾被100%確鑿證據(jù)證實了在10nm制程上的延期，以及在7nm制程上全面落后于臺積電，喪失全球制程領(lǐng)導(dǎo)地位后，大眾輿論對這家美國唯一從設(shè)計、制造到封測全覆蓋的半導(dǎo)體企業(yè)的態(tài)度，呈現(xiàn)出驚人的一致變化：

除了競爭對手和看熱鬧不嫌事大一樣的順便踩一腳，這種“批判趨勢”到最后似乎演變成——這家半導(dǎo)體頂級巨頭剩下的日子似乎屈指可數(shù)了。

技術(shù)創(chuàng)新層面遭遇的危機(jī)也蔓延至他們的財務(wù)數(shù)據(jù)上，從2020年Q1到2021年Q3，英特爾凈利潤連續(xù)3個季度下滑；而歷來作為數(shù)據(jù)中心市場的絕對王者，英特爾這一業(yè)務(wù)板塊的收入也在三個季度內(nèi)持續(xù)下降。

2021年5月，權(quán)威市場調(diào)研機(jī)構(gòu) IC Insights發(fā)布的《2021年Q1全球Top15半導(dǎo)體公司業(yè)績與排名》指出，英格爾雖然位列第一，但卻是所有廠商中唯一一家營收下滑的企業(yè)。

圖片來自IC Insights

英特爾當(dāng)然焦慮。這種焦慮可能體現(xiàn)在：

受到資本市場巨大壓力，2021年年初突然換帥，重新啟用有40年制造技術(shù)履歷的帕特·基辛格(Pat Gelsinger)為新任CEO。

迅速接受了阿斯麥比自己更為先進(jìn)的EUV制造工藝，用了大約兩個季度的時間修復(fù)了7nm技術(shù)。

在制造環(huán)節(jié)投入巨資。今年3月，帕特·基辛格正式公布十分關(guān)鍵的“IDM 2.0”戰(zhàn)略，宣布重返晶圓代工市場，同時宣布投資200億美元在美國亞利桑那州新建兩座晶圓廠；5月再次宣布，投資35億美元升級新墨西哥州工廠，投資100億美元在以色列興建的芯片廠，還計劃在歐盟建廠。

越來越多的英特爾半導(dǎo)體技術(shù)專家現(xiàn)身說法，為自己的制造技術(shù)正名，強(qiáng)調(diào)“每家晶圓廠的制程數(shù)據(jù)有對外宣傳的差異”。

當(dāng)然，根據(jù)虎嗅平臺的觀察和媒體反應(yīng)，在國內(nèi)大大小小的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心市場活動上，你能越來越多次看到英特爾出現(xiàn)的身影。

英特爾 CEO 帕特·基辛格

以重新奪回“制程節(jié)點”為目標(biāo)的英特爾，今年3月發(fā)布的“IDM2.0戰(zhàn)略”就以大手筆和”絕不放棄制造”的態(tài)度雖然引起產(chǎn)業(yè)重視，但因為表現(xiàn)不佳的財報狀況持續(xù)受到爭議；

而昨天，包括CEO基辛格在內(nèi)的4位英特爾高級制造技術(shù)專家，再次通過大范圍公開英特爾的制程技術(shù)和實現(xiàn)路徑，向半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)投擲了一枚“新炸彈”：

英特爾的確在10nm和7nm有所延遲（如果感興趣，可以看我的這篇文章《英特爾退位，臺積電稱王》），但在5nm節(jié)點上，英特爾自認(rèn)為非但沒有延遲，反而會完成超越。

為了應(yīng)對臺積電等對手的“制程虛假宣傳”，以及糾正大家對制程的認(rèn)知誤區(qū)，英特爾直接舍棄了“10nm，7nm，5nm，3nm”這一本質(zhì)上由摩爾定律決定的說法，而是直接采用100%英特爾主觀視角的新命名體系——Intel7，Intel4，Intel3，Intel20A，Intel18A。

這一次公開的Intel20A，本質(zhì)對應(yīng)的就是5nm制程。這是一個英特爾近2年來閉口不談的制程節(jié)點，相關(guān)時間計劃基本到7nm就戛然截止了。英特爾首次宣布將通過Intel20A，進(jìn)入“埃米時代”。

Intel20A背后兩大關(guān)鍵技術(shù)非常值得注意。其中，這個制程將會采用全新的晶體管結(jié)構(gòu)Gate-All-Around，并非是為22nm以下制程產(chǎn)品化立下汗馬功勞的FinFET結(jié)構(gòu)。

換言之，這種應(yīng)用了新材料的新結(jié)構(gòu)芯片，將會對傳統(tǒng)制程概念，產(chǎn)生重大改變。就如一位半導(dǎo)體技術(shù)專家告訴虎嗅：“這種新的材料結(jié)構(gòu)，制程這些幾納米啥的就沒那么大的關(guān)系了?！?/p>

英特爾新制程命名體系：快醒醒，客戶們

關(guān)于制程的命名問題，被產(chǎn)業(yè)詬病已久。

譬如我們曾在《英特爾退位，臺積電稱王》這篇文章里提及，業(yè)內(nèi)不少工程師認(rèn)為，英特爾在對待“納米”制程數(shù)字的態(tài)度更實在，甚至表示“英特爾的10nm芯片對標(biāo)的其實是臺積電的7nm，甚至比后者的7nm都好”。

這也是基辛格上任后，多次在公開場合呼吁大家正確理解“制程數(shù)字”：

“包括英特爾在內(nèi)，使用著各不相同的制程節(jié)點命名和編號方案，這些方案既不指代任何具體的度量方法，也無法全面展現(xiàn)如何實現(xiàn)芯片能效和性能的最佳平衡?！?/p>

這就像是車展上那些號稱自己芯片達(dá)到幾百幾千Tops的汽車，也像是加州每年發(fā)布的《自動駕駛接管報告》——沒有統(tǒng)一測試條件和足夠的企業(yè)誠信度，就絕對不配說出“誰比誰性能好”的結(jié)論。

所以，英特爾這次興師動眾地更換了命名體系，美名曰：“讓客戶對整個行業(yè)的制程節(jié)點演進(jìn)有一個更準(zhǔn)確認(rèn)知，進(jìn)而做出更明智的決策”，其實主要目的就是對付臺積電和三星不那么太靠譜的5nm和3nm制程名字。

2021年下半年將推出的Intel 7 （是不是至少看起來像是7nm？），其實就是英特爾之前發(fā)布的10nm Enhanced SuperFin；

2023年上半年發(fā)布的Intel 4（至少看起來像4nm？），其實就是英特爾之前PPT的7nm；

2023年下半年發(fā)布的Intel3，其實就是英特爾之前PPT上的7nm+；

2024年上半年發(fā)布的Intel20A（看起來像不像2nm？），其實就是英特爾標(biāo)準(zhǔn)下的5nm；

2025年上半年發(fā)布Intel18A，其實就是英特爾標(biāo)準(zhǔn)下的5nm+。

圖片來自英特爾

實際上，隨著晶體管結(jié)構(gòu)的愈加復(fù)雜，早在21世紀(jì)初，產(chǎn)業(yè)內(nèi)就開始對芯片的納米制程命名有了“分化趨勢”。

我們都清楚，微處理器是由以特定方式連接起來的數(shù)十億晶體管組成。這些晶體管充當(dāng)了“開關(guān)”的角色，負(fù)責(zé)處理電子數(shù)據(jù)的1和0。

基辛格解釋，在晶體管頂部有一個區(qū)域叫“柵極”，它決定了晶體管是開啟還是關(guān)閉。而“制程節(jié)點”指代的是晶體管所需的數(shù)千個制造步驟組成的復(fù)雜方案。

而所有最頂級半導(dǎo)體公司幾乎都有同一個目標(biāo)——讓這些芯片變得更小、更快、更便宜、更高能效——最好的例子莫過于蘋果的5nm制程芯片M1（有太多關(guān)于M1的測評可以去看，我也買了一臺M1的Macbook Air，愛不釋手）。

最初，制程工藝“節(jié)點”的名稱與晶體管的柵極長度相對應(yīng)，并以“微米”為度量單位。隨著晶體管越變越小，柵極的長度越來越微縮，產(chǎn)業(yè)開始以納米為度量單位。

而關(guān)于制程命名改變的關(guān)鍵節(jié)點出現(xiàn)在1997年。

“隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)變硅（strained silicon）等其他創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，除了縮小晶體管，更快、更便宜和更高能效也變得同樣重要?！?基辛格認(rèn)為，從這時開始，傳統(tǒng)命名方法不再與實際的晶體管柵極長度相匹配。

換言之，晶體管尺寸在某種程度上不是唯一的決定因素，它們之間的“互連”等因素也不能忽略。

2011年，在英特爾推出FinFET晶體管結(jié)構(gòu)技術(shù)后，行業(yè)進(jìn)一步分化。這是一種構(gòu)建晶體管的全新方式，具有獨特的形狀和結(jié)構(gòu)。

這個結(jié)構(gòu)就是將停滯不前的22nm繼續(xù)往下縮進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。但要很顯然，從22nm開始，不要說大眾，就連產(chǎn)業(yè)內(nèi)對制程數(shù)字的理解與它的實際“坐標(biāo)”也開始逐漸脫離。

這也是英特爾如今建立新命名體系的根本緣由。

正如虎嗅之前在采訪工程師時得到的答案：“英特爾在制造工藝標(biāo)準(zhǔn)制定上相對更激進(jìn)，要求也更高。但的確制程延遲了1~2年，說落后并不意味著他們沒有追趕的可能性。”

但英特爾這次大刀闊斧的制程更名，也許不是不相信自己，而是嗅到了市場和資本已經(jīng)被“命名”困惑已久（譬如開頭），甚至依此來做出商務(wù)判斷的殘酷現(xiàn)實。

不過我們想到了一個問題——即便推出了新命名產(chǎn)品，客戶沒有理由不問一句：“你這intel7到底幾納米？對標(biāo)的是臺積電的幾納米？”

說實話，我們更想知道英特爾在遇到這個問題時怎么回答。

誓死捍衛(wèi)摩爾定律？

基辛格在這次可謂是極為詳盡的“制程技術(shù)科普會”上，至少提了三次關(guān)于“摩爾定律不會消亡，英特爾會通過各種方法，如改材料、晶體管結(jié)構(gòu)，以及封裝等角度，繼續(xù)來延續(xù)摩爾定律”的決心。

實話講，除了這個意味深長的新命名體系，英特爾最有趣且最應(yīng)該受到關(guān)注的產(chǎn)品，毫無疑問是Intel3之后的Intel20A。

（當(dāng)然，Intel4 將作為第一批應(yīng)用阿斯麥高數(shù)值孔徑（High-NA）極紫外輻射光刻技術(shù)(EUV)的處理器也倍受矚目，但象征意義不如Intel20A。）

Intel 20A（5nm）之所以被英特爾稱為歷史上制程技術(shù)發(fā)展的下一個分水嶺，是因為它是第一塊應(yīng)用英特爾兩大“開創(chuàng)性技術(shù)”的芯片：

替代FinFET的全新晶體管架構(gòu) Gate-All-Around（英特爾把它命名為RibbonFET）

能夠解決“互聯(lián)瓶頸”的電能傳輸系統(tǒng)PowerVia。

FinFET技術(shù)的重要性已經(jīng)無須贅述。

它是加州伯克利大學(xué)電子工程與計算機(jī)專業(yè)教授胡正明在1999年研發(fā)出的 3D 晶體管技術(shù)（鰭型晶體管）。英特爾之所以能在 12 年后率先量產(chǎn)出 22nm 晶體管，臺積電與三星順利過渡至 16/14nm 制程節(jié)點，F(xiàn)inFET功不可沒。

正是這項“發(fā)明”，摩爾定律才得以“延壽”數(shù)十年。

但是，隨著制程從5nm持續(xù)縮進(jìn)至3nm，半導(dǎo)體制造專家們發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步減少 FinFET 尺寸，就越來越受到驅(qū)動電流和靜電控制的限制。

而將要替代它的Gate All Around的常用名為GAAFET（全柵場效應(yīng)管），它使用柵極包圍的帶狀通道，從而能實現(xiàn)更快的晶體管切換速度和更好的控制。因此，在更小的占用空間內(nèi)，可具備更高的性能。三星在2020年曾宣布將在3nm制程芯片上應(yīng)用這一架構(gòu)。

圖片來自泛林半導(dǎo)體

與 FinFET不同的是，在 FinFET 中，較高電流需要多個并排的鰭片；GAA 晶體管的載流能力主要是通過垂直堆疊幾個納米片（上圖），而柵極材料主要是包裹在溝道周圍來提高的。納米片的尺寸可以按比例縮放，以便晶體管可以按照要求的特定性能進(jìn)行調(diào)整。

聽起來，“納米片”的概念其實理解起來并不是那么困難；而且實際上，這項技術(shù)已經(jīng)被研發(fā)多年。但其之所以不受業(yè)內(nèi)“重用”，主要瓶頸就在于“材料”。

根據(jù)泛林半導(dǎo)體給出的解釋，GAA晶體管是通過“交替硅”和“硅鍺外延層”的超晶格來制作的，這是構(gòu)成納米片的基礎(chǔ)，此外制作工藝相對復(fù)雜，可能需要釕、鉬、鎳等各種合金新材料進(jìn)行沉積、蝕刻、填充。

一位半導(dǎo)體專家這樣給虎嗅總結(jié)：“它（GAA）將對半導(dǎo)體的基底材料進(jìn)行更改，半導(dǎo)體連接的材料也要進(jìn)行更改。同時整個晶體管的物理結(jié)構(gòu)也要變化?！?/p>

因此，帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)這項技術(shù)的Sanjay Natarajan博士將英特爾的GAA——RibbonFET稱為一次“晶體管性能上的重大飛躍”，并非虛話。

根據(jù)測試芯片結(jié)果，他們預(yù)計RibbonFET晶體管帶來的性能和密度提升，將超過當(dāng)下的FinFET晶體管。而Intel 20A將是應(yīng)用RibbonFET的第一枚芯片。

而電能傳輸系統(tǒng)PowerVia則是英特爾工程師開發(fā)的一項獨特技術(shù)。Sanjay Natarajan博士作為這項技術(shù)的開發(fā)負(fù)責(zé)人，指出半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)中存在的最大傳統(tǒng)問題之一便是“布線效率低下”。

“傳統(tǒng)互連技術(shù)是在晶體管層的頂部進(jìn)行互聯(lián)，經(jīng)常產(chǎn)生電源線和信號線的互混，導(dǎo)致了布線效率低下，進(jìn)而影響性能和功耗?！?/p>

他們的解決方法，便是把電源線置于晶體管層的下面（也就是晶圓的背面）。通過減少晶圓正面的電源布線，騰出更多的“空地兒”用于優(yōu)化信號布線，并減少時延，實現(xiàn)更好的電能傳輸。

值得注意的是，這兩項將用于Intel20A的關(guān)鍵技術(shù)，雖然不可避免被人詬病為“仍然處于PPT狀態(tài)”（畢竟還都是PPT），但英特爾的專家們展示了這些測試芯片的掃描電鏡圖像，顯然經(jīng)過了一系列測試。

就像上面所說，它們的成功應(yīng)用，將決定著英特爾是否能在5nm這個關(guān)鍵節(jié)點上進(jìn)行反超。

從時間來看，很明顯，2019年時PPT上規(guī)劃的“2023年實現(xiàn)7nm++”，與這次規(guī)劃的“2024年實現(xiàn)Intel20A”沒有多少間隔。也就是說，依然有機(jī)會在5nm這個節(jié)點上翻盤。

英特爾2019年10月的制程產(chǎn)品規(guī)劃圖

如基辛格所說，英特爾Intel20A在2024年的問世與兩大關(guān)鍵技術(shù)的真正應(yīng)用，將標(biāo)志著半導(dǎo)體“埃米時代”（1埃米=0.1納米）的啟幕。

現(xiàn)在來聽，其實更像是英特爾在向外界喊話：你們以為我還想在“納米時代”爭奪領(lǐng)導(dǎo)權(quán)？不，我們要進(jìn)入一個比納米更小的單位去爭奪話語權(quán)了。

寫在最后…希望不是PPT

但話說回來，既然完全改變了以納米為單位的命名體系，而且晶體管結(jié)構(gòu)和材料正在發(fā)生下一輪巨大變化。此外，英特爾也在從封裝技術(shù)層面提高芯片的帶寬密度和能效……

這一切難道不是意味著，所謂的納米還是埃米的數(shù)字單位，已經(jīng)越來越?jīng)]意義了嗎？

英特爾嘴上說在捍衛(wèi)摩爾定律，其實已經(jīng)認(rèn)識到不能再依靠摩爾定律。

如今，Intel20A的制造工藝雖然官方說拿下了高通這個大訂單，但距離2024年變數(shù)還有很大。我們雖然覺得英特爾這場發(fā)布會的意義重大，并且產(chǎn)品規(guī)劃讓人沒有異議，但是PPT能夠轉(zhuǎn)變稱真正的產(chǎn)品，還是需要實物說話。

畢竟，當(dāng)年延遲了4年的14nm產(chǎn)品，當(dāng)時PPT做的也挺不錯的。