1965年，硅谷傳奇，仙童“八叛徒”之一，英特爾原首席執(zhí)行官和榮譽主席，偉大的規(guī)律發(fā)現(xiàn)者戈登·摩爾正在準備一個關于計算機存儲器發(fā)展趨勢的報告。在他開始繪制數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的趨勢。每個新的芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個芯片產生的時間都是在前一個芯片產生后的18~24個月內，如果這個趨勢繼續(xù)，計算能力相對于時間周期將呈指數(shù)式的上升。這個就是大名鼎鼎的摩爾定律， 其對集成電路產業(yè)的發(fā)展描述，異乎尋常的正確。

總結來說：

1：集成電路芯片（wafer）上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。

2、微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。

3、用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。

      這樣相同的大小的wafer，可以生產出多一倍的芯片。如果上一代工藝芯片面積是1mm2，在新工藝上，面積就是新工藝的一半，也就是0.5mm2。我們假設兩代工藝wafer成本一樣（一般新工藝會貴一些），那么采用新工藝，其成本是原來工藝成本的一半。

       這個就是摩爾定律揭示的現(xiàn)實：那就是，采用新工藝的芯片，面積更小，功耗更優(yōu)，頻率更高，成本還更低。這個就是新工藝對老工藝降維式的打擊！這些優(yōu)點和好處就是驅動芯片工藝不斷進步的發(fā)動機，也就是摩爾定律的內涵。

那如果芯片工藝進步，每個晶體管的尺寸就會縮小，那到底縮小多少？         如上圖所示，晶體管數(shù)量保持不變的情況下， 下一代新工藝的芯片面積是上一代的一半。那么X和Y什么關系。

如果我們按照正方形來計算的話？

      那么新工藝大約是老工藝晶體管尺寸的0.7倍。也就是晶體管會縮小0.7倍。

那根據(jù)摩爾定律，我們利用初中數(shù)學知識，就能算出每一代工藝的進步，從800nm開始（這個80586的工藝節(jié)點）。

         而芯片工藝的發(fā)展也印證了這一點：從0.8 μ m、0.5 μ m、0.35 μ m、0.25 μ m、0 .18 μm、0.13 μ m、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm，5nm。實際的工藝節(jié)點，符合了這個要求。摩爾定律和現(xiàn)在芯片制程完全吻合。我們都知道，一個工藝節(jié)點研發(fā)成功后，其研發(fā)成本是很高的。如果可以在這個工藝節(jié)點上持續(xù)優(yōu)化，面積，功耗等等。也是一種最大化利用原有投入的方式。就像intel就在14nm上做的一樣。14nm+++持續(xù)優(yōu)化。

 

       而我們今天講的shrink，也是一種優(yōu)化。它本質上是利用光照（MASK）等比例縮放后。晶體管尺寸縮小一點，芯片仍然能夠正常工作，從而減少芯片面積，降低成本。那么shrink的比例是多少？Shrink 一般可以將晶體管的尺寸縮小0.9倍。

       大約每個邊長縮放為0.9；整體面積縮小0.81；這個過程又稱為，芯片收縮(die shrink)。然而，按比例縮小可能引入新的問題，例如漏電流增大，但是通過工藝參數(shù)可以來調節(jié)漏電，shrink在不改變工藝特性的基礎上，修修補補，也能挖掘這個工藝節(jié)點的潛力。這些shrink后的工藝節(jié)點，也被人稱為半節(jié)點。例如：40nm是45nm shrink后的半節(jié)點；28nm是32nm  shrink后的半節(jié)點；20nm是22nm shrink后的半節(jié)點；14nm也可以看作16nm shrink后的半節(jié)點；把前面的工藝，乘以0.9就可以了。

       DIE shrink是芯片制造廠家來做的，和芯片設計公司沒有關系。工程師設計完成的版圖都是 pre shrink的，而到了廠家生產的時候，直接進行shrink，生成的die的面積比版本等比例縮小。所以我們現(xiàn)在芯片設計工程師，做40nm或者28nm等半節(jié)點工藝時，都有一個shrink的流程。會發(fā)現(xiàn)，芯片的版圖比實際的DIE的面積要大。如果我們計算最后的DIE（芯片）面積，實際上要算shrink之后的，而不是版圖的面積。

      EDA工具標注的都是shrink前（pre shrink）的面積。那就是設計公司給了芯片制造廠一張10X10的設計圖紙，而芯片廠生產的尺寸卻是9x9。這些優(yōu)化后的，40nm，28nm等等，成為了更成熟和長壽的工藝。而原有的45nm，32nm等，與優(yōu)化后的40nm，28nm相比，不再具有優(yōu)勢，廠家不再推這些工藝工藝。

      事實上，業(yè)界通常把45nm/40nm, 32nm/28nm, 22nm/20nm, 16nm/14nm 這些工藝節(jié)點，看作同一個工藝節(jié)點，是一代，只是廠家通過shrink這種手段，進行的優(yōu)化。加上shrink以后，我們看到目前的28nm，14nm，10nm，7nm，5nm都可以用摩爾定律上一節(jié)的初中數(shù)學知識算出來。嚴絲合縫，理論和實際吻合的很好。

       但是，事實果真如此嗎？這些數(shù)字里面隱藏著一個極大的隱情。

 

   

      大約從20世紀60年代到90年代末，節(jié)點的命名是基于它們的柵極長度命名的。IEEE的此圖表顯示了以下關系。柵極長度（gate length）和半節(jié)距（芯片上兩個相同特征之間的距離的一半）匹配工藝節(jié)點名稱。

     

      但是在28nm以下，由于采用finfet這些新的技術，這些和實際的節(jié)點和柵極長度，以及半節(jié)距（half-pitch）就匹配不上了。

 

 

      如果保持節(jié)點名稱和實際特征尺寸同步，就會如紅線所示，2015年前，芯片制造的最小工藝尺寸就會跌破1nm，廠家暗渡陳倉了。而實際上，整個工藝曲線更接近藍線所示。你以為的7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節(jié)距。那這個7nm，5nm怎么來的。

       由于半導體制造涉及巨大的資本支出和大量的長期研究。從論文中引入新技術方法到大規(guī)模商業(yè)制造的平均時間約為10-15年。幾十年前，半導體行業(yè)認識到，如果有一個節(jié)點介紹的總體路線圖以及這些節(jié)點將針對的功能尺寸，這將對參與芯片流程的每個單位都用導引作用。也就是說，比如，2025年，我們畫個大餅要搞1nm，那么，這個時候所需要光刻設備廠家，刻蝕設備廠家，材料廠家，研究機構等等，都要瞄準這個目標來做。這個路線圖，主要是“為大學、財團和行業(yè)研究人員提供未來的主要參考，以刺激各個技術領域的創(chuàng)新”。也就是說，要給芯片制造從業(yè)者畫一個大餅。多年來，國際半導體技術路線圖（ITRS）發(fā)布了該行業(yè)的總體路線圖。這些路線圖延續(xù)了15年，為半導體市場設定了總體目標。

       摩爾定律這個就是這么粗暴。一直從幾百nm，干到5nm或者3nm。關鍵是，數(shù)學可以這么算，物理能這么搞嗎？這么搞，是不是有點太草率了。不久之后， ITRS（國際半導體技術路線圖）這個組織也明白了，這么搞是不行的。 不能把柵極長度（gate length）或半節(jié)距（half-pitch）與節(jié)點大小聯(lián)系起來的原因是：因此這些尺寸要么停止縮放，要么縮放得更慢了。粗暴的乘以0.7還能指望晶體管能工作。這種晶體管，工業(yè)界制造不出來。于是，在2010年，ITRS將每個節(jié)點上的技術，統(tǒng)稱為“等效縮放”。也就是說，不用實際對應上，你覺得差不過就行。也就是說，7nm，5nm，早已不是原來指的柵極長度（gate length），或者（half-pitch）半節(jié)距。

      這種改變，反應了芯片制造業(yè)的現(xiàn)狀：臺積電的Philip Wong在Hot Chips 31主旨演講中說：“它過去是技術節(jié)點，節(jié)點編號，意味著一些東西，晶圓上的一些功能。”但是：“今天，這些數(shù)字只是數(shù)字。它們就像汽車模型——就像寶馬5系或馬自達6。數(shù)字是什么并不重要，它只是下一項技術的目的地，它的名稱。因此，我們不要把節(jié)點的名稱與技術實際提供的相混淆。”

       5nm，7nm這些和寶馬5，馬自達6沒有什么區(qū)別。這些只是營銷的手段而已。不是大眾要把這個名字相混淆。而是這些芯片制造廠商，搞這些營銷詞匯，不就是想混淆工藝制程的節(jié)點和晶體管的實際尺寸嗎?

      雖然摩爾定律這艘大船進入淺水區(qū)，快擱淺了。讓我們一起晃動這艘大船，假裝摩爾定律啟示的那樣繼續(xù)前進，所以英特爾就有人提出來了。不要扯，5nm，7nm了，直接比拼一下單位面積晶體管的數(shù)量好了。

下面就是這個公式：

      英特爾的芯片制造專家Mark Bohr提出來的， 它認為每個芯片制造商在提及工藝節(jié)點時，都應披露其邏輯晶體管密度，單位為MTr/mm2（每平方毫米數(shù)百萬個晶體管），這個也就是解釋了，為什么英特爾的10nm和臺積電的7nm，雖然看起來是兩代，但是二者的晶體管密度基本一樣。

 

      但是，這個公式太復雜了。怎么可能有7nm，5nm對大眾的宣傳效果好。英特爾本身自己在命名方案里面，也沒有真正遵循柵極長度（gate  length）的模型。

從下表來看，隨著工藝的進步，玩家越來越少了。

       高端玩家就剩下了臺積電和三星，還有一直要追趕的英特爾。明年，三星和臺積電的3nm都號稱要量產。但是這一次，我們應該知道，這個只是一代工藝代號而已，和3nm本身沒有太大的關系了。

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