被挤下芯片王座的英特尔,能否涅槃重生?


来源:物联传媒   时间:2020-08-27 11:46:10


这对于一家伟大的芯片设计、制造和销售公司来说无疑是巨大的失败。最近,英特尔发布的一项新技术震惊业界,此举大有虎贲龙镶、飞燕还巢之势,也让我们看到了英特尔重登“王座”的希望。

这家拥有世界级影响的“蓝色巨兽”,在跨越了一个世纪之久的发展历程中,也有着诸多跌宕起伏的故事。一切,要从一则影响信息产业近百年的“金科玉律”说起”......

戈登·摩尔与摩尔定律

在IT行业,有一则“神话”般的定律。整个信息产业几乎都在按照此定律,以指数方式领导着整个经济发展的步伐。这个定律就是“摩尔定律”,而定律的发现者正是世界头号CPU生产商Intel公司的创始人之一——戈登·摩尔。

摩尔定律是指,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月增加一倍,性能提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度 。

随着PC在全球范围内获得的巨大成功,提供PC核心部件的Intel从一个存储器制造商成长为一个更加辉煌的芯片制造商。戈登·摩尔正是这场变革和进步的最大推动者和胜利者。

行业的“金科玉律”遭遇瓶颈

相关报道显示,2004年后,这套几十年来半导体行业遵循的金科玉律,越来越凸显其局限性,最突出的表现便是各厂商近年来被用户吐槽的“挤牙膏”行为。

行业专家曾指出,摩尔定律成就了各种技术变革,让计算机的底层元件遵从此定律整整50年。然而,近年来业界对摩尔定律的怀疑声连绵不断,摩尔定律节奏放缓是不置可否的事实,其变化给半导体产业带来了诸多不确定性。曾有业界人士断言到,未来的摩尔定律会愈发衰败,继而逐渐消失。

救命稻草——FINFET技术

相关文献显示,FinFET是一种称之为鳍式场效晶体管的互补式金氧半导体晶体管。闸长已可小于25奈米。该项技术的发明人是加州大学伯克利分校的胡正明教授。Fin是鱼鳍的意思,FinFET命名根据晶体管的形状与鱼鳍的相似性。

胡正明教授1968年在台湾国立大学获电子工程学士学位,1970年和1973年在伯克利大学获得电子工程与计算机科学硕士和博士学位。现为美国工程院院士。2000年凭借FinFET获得美国国防部高级研究项目局最杰出技术成就奖。他研究的BSIM模型已成为晶体管模型的唯一国际标准,培养了100多名学生,许多学生已经成为这个领域的大牛,曾获Berkeley的最高教学奖;于2001~2004年担任台积电的CTO。

为了让摩尔定律延续到更小的器件尺度,学术界和工业界在不同的材料、器件结构和工作原理方面的探索一直在进行中。探索的问题之一是晶体管的闸极设计。随着器件尺寸越来越小,能否有效的控制晶体管中的电流变得越来越重要。

从亚微米工艺, 到后来的90nm工艺所代表的深亚微米时代,业内一直按照摩尔定律,稳步的发展。在65nm工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小仅有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体,二氧化硅层已经不能再进一步缩小了,否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作。

然而在28nm之后,人们发现,如果继续采用传统的Planar结构,摩尔定律难以为继。

这时候,重要到了必须采用一种新结构的时刻了,继而目光便放到了这种非常有前途的结构上,也就是现在赫赫有名的FinFET结构。

在FinFET工艺现实之后,英特尔便成为了这项工艺的推广者并从中获得巨大收益,一路高歌猛进之后,英特尔的半导体芯片工艺已经达到了世界顶尖级别的存在,但在近几年,随着物理极限的逼近和部分商业摩擦,让英特尔在工艺推进方面出现了频繁“挤牙膏”的现象。

英特尔遭遇“中年危机”

英特尔在工艺方面的延缓问题,近几年频繁发生。相关资料显示,2014年,英特尔发布Core M系列处理器。采用全新14nm工艺和第二代3D晶体管技术的处理器。2015年第三季度,英特尔发布了采用成熟14nm工艺、Skylake架构的第六代酷睿系列处理器。此后,制程工艺的数字似乎停止了,直到现在,英特尔在主流桌面处理器市场上再也没有推出过更小数字的工艺。

雷蒙德詹姆斯金融的分析师Chris Caso宣称“英特尔10nm延期为竞争对手打开了一个窗口,这个窗口可能永远都不会关闭,很可能意味着英特尔在计算领域主导地位的终结。”一旦这样的言论成为市场主流,将彻底动摇英特尔在产业界的领先地位和形象,并进一步拖累股价。

2018年,英特尔宣布,10nm工艺良率、频率表现不够理想,无法完成大规模商业化生产,并且计划将10nm工艺拆分成10nm、10nm+和10nm++三代,分别在2019年、2020年、2021年推出。

2019年底,英特尔终于正式发布了10nm制程的移动平台产品,但2020年上半年英特尔主打的产品依旧采用14nm工艺,并且整个桌面市场和服务器市场都是如此。真正工艺成熟、彰显高性能的10nm桌面版本处理器产品依旧遥遥无期,有消息称,英特尔可能在2021年底才会推出10nm+的桌面处理器,到2022年再推出10nm++的版本。

此外,今年7月,英特尔发布消息,曾一度宣称的7nm工艺遭遇严重困难,将延期6~12个月,预计直到2022年下半年或2023年初才会在市场上首次亮相。

屋漏偏逢连夜雨,英特尔被诉侵权

我们知道,最早使用FinFET工艺的是英特尔,他们在22纳米的第三代酷睿处理器上使用FinFET工艺,随后各大半导体厂商也开始转进到FinFET工艺之中,其中包括了台积电16nm、10nm、三星14nm、10nm以及格罗方德的14nm。

然而尽管英特尔最早使用了FinFET工艺,但这并不意味着该工艺的相关技术及专利可以任由英特尔随意使用。近日,国家知识产权局专利复审委员会消息,其审理了201110240931.5(“FinFET专利”)发明专利的无效申请。无效申请的请求人是英特尔(中国)有限公司,而专利权人为中国科学院微电子研究所。

据悉,这是英特尔为应对微电子所2018年发起的专利侵权诉讼而采取的措施。在此之前,英特尔已经先后5次在中美两地对涉案专利及其美国同族专利发起无效申请,均以失败告终。微电子所诉称,英特尔酷睿系列处理器侵犯了其名为“半导体器件结构及其制作方法、及半导体鳍制作方法”的FinFET专利,要求英特尔停止侵权,赔偿至少2亿元人民币,并承担诉讼费用,同时申请法院下达禁令。

或放弃IDM模式

华尔街见闻相关消息,如果7纳米工艺制程中存在的缺陷迟迟不能解决,则将考虑将芯片制造业务外包。

英特尔多年以来一直采用IDM模式,IDM是指集芯片设计、芯片制造、芯片封装、测试到销售的一条龙式产业链模式。目前,世界上采用这种模式的企业主要有:英特尔、三星、德州仪器(TI)。其中,在规模上,英特尔位居榜首,主宰行业至今。

一旦英特尔采用外包模式,那么就意味英特尔苦心经营多年的的IDM模式将付之一炬。

涅槃之缘,英特尔重构版FINFET

英特尔在2020年架构日活动上,正式公布了全新的SuperFin晶体管技术、“混合结合”封装技术,进一步展示了英特尔半导体工艺上的持续创新。

作为摩尔定律的提出者和践行者,英特尔一直以来在晶体管技术上不断变革创新,比如90nm时代的应变硅、45nm时代的高K金属栅极、22nm时代的FinFET立体晶体管。

即便是饱受争议的14nm工艺,Intel也在一直不断改进,通过各种技术的加入,如今的加强版14nm在性能上相比第一代已经提升了超过20%,堪比完全的节点转换。

SuperFin在技术层面相当复杂的,主要技术特性有:

增强源极和漏极上晶体结构的外延长度,从而增加应变并减小电阻,以允许更多电流通过通道。改进栅极工艺,以实现更高的通道迁移率,从而使电荷载流子更快地移动。提供额外的栅极间距选项,可为需要最高性能的芯片功能提供更高的驱动电流。使用新型薄壁阻隔将过孔电阻降低了30%,从而提升了互连性能表现。与行业标准相比,在同等的占位面积内电容增加了5倍,从而减少了电压下降,显著提高了产品性能。

结语

笔者认为,关于此次英特尔重构FinFET工艺,或许是与英特尔和中科院的侵权案有关,英特尔对于FINFET工艺的重构,或是为绕开中科院的专利技术,从而继续将工艺制成向前推进。但笔者在看到SuperFin的工艺提升后,不得不惊叹,英特尔正充分利用其独特的优势,提供标量、矢量、矩阵和空间架构结合的解决方案,广泛部署于CPU、GPU、加速器和FPGA中。

此次英特尔新工艺带来的性能提升,可以一扫英特尔多日制程迭代不利消息的阴霾,我们也从中看到了7nm的曙光。但是尽管如此,专利侵权问题依旧要重视起来,以和谐共赢的形式共同发展,求得双赢。

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