聊聊台積電與三星的4nm製程

作者 : 黃燁鋒,國際電子商情(ESMC)

8月初,TechInsights在部落格上發佈了一篇文章,分析台積電和三星這兩家晶圓代工廠的4nm製程...

前年10月,筆者在知乎回答了一個問題「如果英特爾(Intel)用14nm做出的CPU宣稱是10nm的製程,會有人發現嗎?」當時覺得這個問題有趣,就試答了。筆者認為,這麼做大概不行;從研究機構、用戶和代工/晶圓廠自身三個角度,都很難把這件事情圓過去。 不過今年8月初,TechInsights在Blog上發佈了一篇文章,提及台積電(TSMC)和三星(Samsung)這兩家晶圓代工廠在4nm製程上「說謊」。這篇文章主要是基於TechInsight對於4nm製程的剖析和拆解,認為台積電和三星所謂的4nm,實際上和5nm製程基本沒有區別,卻和客戶一起對外宣稱用了4nm製程。 這件事看來似乎有其合理性,又相當荒謬。不過此事也某種程度表現出,尖端製程再不似往日那般演進神速,連半代製程更新(或BKM更新)都如此緩步。前幾天「手機晶片達人」在微博發佈消息甚至提到「台積電內部決定放棄N3製程,因為客戶都不用,將轉為在2023下半年量產降本的N3E製程…連Apple都放棄N3製程。」 且不論上述資訊可靠性如何,結合TechInsights所說「假」4nm一事,都可知尖端製程領域,技術推進有多不易。要知道3nm製程已經延後了半年,如果初代N3節點真的被放棄,那麼台積電這邊的3nm製程大規模量產實際的延後時間就將近1年了。 「假」4nm是怎麼回事? TechInsights在文章中提到,首款採用台積電N4製程的晶片是聯發科(MTK)天璣9000;而TechInsights對這款手機晶片進行分析,發現「關鍵製程尺寸和台積電更早的N5產品完全一致」,所以「台積電宣稱的4nm產品是假的(sham),也包括聯發科宣稱其為4nm處理器」。 三星這邊的情況則更窘:三星自家Exynos 2200晶片採用4nm製程,高通(Qualcomm) Snapdragon 8 Gen 1也採用三星4nm製程。但TechInsights認為,Snapdragon 8 Gen 1分明就是5nm製程。「為了避免用戶選擇競品(lusting for one processor over the other),這兩家公司決定將Snapdragon 8 Gen 1作為4nm製程來發佈」。 此前似乎有消息說Snapdragon 8 Gen 1採用的乃是一種名為4LPX的製程——而不是三星公開宣傳中的4LPE。TechInsights認為4LPX在物理尺寸上(physically_和5LPE是沒有區別的,所以三星也撒了謊。 但這其中還有個細節,就是三星Exynos 2200還真的應用了4LPE製程——這算是名副其實的4nm製程了吧。只是悲慘的是Exynos 2200作為目前唯一「真正的」4nm晶片,在良率、能效等各方面的表現上都頗為糟糕,「尤其是其全新的圖形引擎」,三星4LPE確實比不上台積電N5。 TechInsights表示,預計真正的台積電4nm將出現於今年9月將陸續上市的高通Snapdragon 8+ Gen 1,以及蘋果(Apple) A16,即N4P製程。 至於這兩家晶圓代工廠為什麼要這麼做,TechInsights在文章中說,三星和台積電一直在製程技術上賽跑;尤其是三星,雖然在製程技術上略遜於台積電,卻一直期望實現超越。此前三星說要在2021年推4nm製程——也就是比5nm問世時間大約晚一年;台積電原先計劃要在5nm上市的2年以後再推出4nm,但聽到三星這麼一說,就決定把N4節點的時間「提前」(pull in)兩季。 但尖端製程可不是市場決定提前兩季,技術就能隨即跟上的,所以才有了這樣奇特的局面。 製程節點的命名問題 因為TechInsights針對Snapdragon 8 Gen 1、天璣9000的剖析報告售價都非常高,一時半刻也看不到針對台積電和三星「假」4nm製程的分析結果。不過實際上,這個問題可回歸製程節點的命名問題。 有關尖端製程節點的命名問題,總結一句話就是:當代的尖端製程,「nm」前面的這個數字本質上並不代表任何實際的電晶體或元件物理尺寸。從250nm節點以後,幾nm數字就不再指常規意義上的閘極長度(gate length),而只有技術演進的象徵意義。 那麼產業裡有沒有規範,來要求不同晶圓代工廠統一節點演進後的命名稱謂呢?還真的沒有。所以理論上,晶圓代工廠想把自家新製程稱為任何名字都可以——當然這其中還存在產業、道德、競品的各種客觀約束,但這就不是技術層面要討論的重點了。 所以台積電和三星的5nm雖然都叫5nm,但它們技術層面的差別還是比較大;而且這兩家晶圓代工廠的5nm在其各自技術更新路線圖上所處的位置還大相徑庭。 從這個層面來看,晶圓代工廠給自家技術節點取什麼名字,那都是廠商的自由。連Intel都能為已量產的製程節點改名,台積電和三星為什麼就不行呢? 有關製程命名,還有另一個常見(但也並不成文的)規則。由於半導體製程技術進步比以前慢了很多,所以晶圓代工廠和晶片設計廠商才會大力宣傳同代節點的演進(如N5→N5P/N4),因為製程完整升級(如N5→N3)中間間隔時間比從前久了很多。在22nm節點以前,晶圓代工廠幾乎是不太宣傳這樣的小幅製程改進。 N4就屬於N5→N3的過渡製程節點。它遠遠說不上是N5和N3之間的中間態,明確應為N5的改良製程,而與N3相去甚遠。透過觀察同代製程演進,還不難發現一個事實:一般同代製程內的元件尺寸(電晶體)間距不會發生變化,而僅在標準單元、部分製程流程、材料方面會有改進。 所以一般同代製程演進很難帶來大幅度的電晶體密度提升,以及性能、功耗方面的顯著革新。不過依然會發現,例如台積電說N4相比於N5能夠實現6%的die面積縮減,這種晶片面積小幅縮減,或電晶體密度小幅提升,主要是由單元(cell)結構變化帶來,而不是電晶體層面的尺寸縮減。 當然,基於當前半導體製造尖端技術難度和成本陡增,這種製程改良也不簡單。改良版製程有時還能實現降低成本、增加效能;對於晶圓代工廠而言,還能成為其下一代完整節點更新的技術累積;也是兩代完整製程節點之間的緩衝,不僅是技術的緩衝,更是市場的緩衝。 基於同代製程演進這種規則,元件層面沒有尺寸縮減實屬正常;產業甚至存在Intel這種,為進一步提升性能,同代製程演進(+++)平均「電晶體密度」變低的狀況。     4nm真是造假嗎? 不過同代製程技術演進,也存在電晶體密度大幅攀升的情況。如三星5LPE製程,它在三星路線圖上並不屬於7LPP的完整演進,而是7LPP同代製程演進(這也是三星5nm與台積電5nm定位差異的一個展現)。5LPE在元件尺寸方面與7LPP相比幾乎沒有變化,但仍然實現了「電晶體密度」的大幅攀升;這主要是透過導入新型的UHD單元庫達成。 而三星4LPE製程,起碼在三星路線圖上看來,是7LPP以後的一次完整演進(雖然其性能、功耗方面的改進幅度比5LPE小許多)。這使三星4LPE扮演的角色與台積電N4又很不一樣。如果拋開「幾nm」主流話語權在台積電手上這件事,4LPE在三星代工(Samsung Foundry)內部的地位應該也很重要,因為兩家晶圓代工廠的技術演進節奏不一樣。 基於5LPE僅為7LPP的同代製程改良,4LPE才是7LPP的完整演進;而N5是N7的完整演進,N4僅為N5的同代製程改良——理論上市場就不應該期待4LPE和N4同時到來。這也能理解為什麼在原計劃的路線圖裡,台積電N4會晚於三星4LPE。不過市場競爭似乎不太接受這一套,如前述提及的TechInsights猜測。 4LPE在Exynos 2200的如約而至因此就很好解釋了。只不過三星在4LPE節點上表現仍然不太好。事實上,高通並未選擇4LPE製程,而是採用名為4LPX的5nm改良款製程,密度稍遜於4LPE——這則消息同樣來自TechInsights。 TechInsights在對Snapdragon 8 Gen 1的拆解中發現,4LPX製程中很難找到4nm特性(hardly found '4nm' features)。SemiAnalysis先前撰文指稱,三星代工近兩代製程的parametric yield良率糟糕,且從Exynos 2200的表現來推測,高通最終沒有選擇4LPE是在情理之中。 至於「4LPX」究竟是不是原版5LPE,只有三星和高通知道了。這裡涉及到一個問題,就是既然「4nm」不存在一個基準,那麼怎麼理解4LPX和N4是不是4nm的問題呢?筆者認為,這主要取決於晶圓代工廠做出來的成品是否與其宣傳中提到的參數提升一致,如果一致,就可以認為該技術是4nm。 只是筆者也不清楚TechInsights針對製程研究達到如何的深度。原本如果只是元件和單元層面的尺寸測量測試,還是很難反映製程是否有改良或演進。不過三星自己的路線圖都明確指出4nm是一次元件尺寸縮減的完整製程升級,所以4LPX的存在的確有些說不過去,因此4LPX更像是個市場動作。 至於台積電N4不進行尺寸縮減說不說得過去?那就有更大的商榷餘地了,畢竟N4真的就只是N5的改良款。只不過從TechInsights的措辭來看,天璣9000的N4大約也未能達成此前台積電宣傳中的die面積縮減。加上台積電「提前」N4製程亮相時間,大概是為了趕上三星4LPE發佈時間點,其比N5改良了多少也的確值得懷疑。 N4是否是「真正」的4nm這個問題原本沒有標準答案。但很快N4P的問世,將有助於我們瞭解N4究竟是台積電4nm的如約而至,還是台積電的一次市場動作。有趣的是,Nvidia在今年的GTC Spring上提到自家新款GPU將基於台積電4N製程——據說是台積電為Nvidia客製的4nm製程,屆時市場對所謂「4N」製程的分析大概也會很有趣。     隨著半導體尖端製程技術成本的持續躍升,晶圓代工廠市場競爭的一個重要方向就是持續吞噬對手的市佔,否則只能被迫降低投入、減緩技術演進速度,並在競爭中失去優勢。因為成本增速已經快於產業本身的增速。未來尖端製程或許還會面臨更大的不確定性,尤其是當元件結構步入GAAFET之後,而4nm節點的這一市場現狀不過是前菜罷了。 本文原刊登於國際電子商情網站          

發表評論