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CPU制程工艺发展

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阅读次数 46      发表日期 2021-10-6 15:51
晶体管诞生于1947年12月16日,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组成功制作了第一个晶体管,改变了人类发展的历史。晶体管是20世纪最重要的发明之一,奠定了微电子革命的基础。相对于体积大、功率大的电子管,晶体管小巧而且功率低,为后来大规模集成电路的出现吹响了号角。经过70多年的发展,多次的技术更迭,随着制程工艺的不断进步,目前已经可以在指甲片大小的芯片上集成数以亿计的晶体管。
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近几年来,随着AMD Ryzen系列处理器的崛起,以及台积电(TSMC)在制程工艺的推进,让更多的电脑爱好者留意到处理器的制造工艺,认识到什么是制程节点,为什么会如此重要。在日常里,一般会谈论到某处理器用多少纳米(nm)的工艺,通常数字越小,意味着很可能越先进。出现这种情况,其中一个不能忽视的因素是,英特尔近几年在工艺研发上寸步难行,在桌面平台长时间停留在14nm制程节点,这时间基本足够在中山大学医学院的临床医学专业完成本硕连读课程了。
当然,在晶体管诞生后的70年时间里,英特尔在工艺技术上一直处于前沿位置,为人类社会的发展和科技进步有着不可磨灭的贡献。这些功绩,以及累积的技术和经验,不会因为几年的曲折发展就可以完全忽视掉。这期超能课堂里,就以英特尔桌面处理器的工艺发展为主线,简单回顾处理器的制程节点变化。
摩尔定律指出半导体发展规律
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图:刊登“摩尔定律”的《电子》杂志
英特尔的历史相信不少人都有相当的了解,不过在这里还是要提一下英特尔的创始人之一的Gordon Moore。1965年4月19日,Gordon Moore在《电子(Electronic)》杂事上发表了题为《把更多元件塞进集成电路(Cramming more components onto integrated circuits)》的论文。在这篇论文里,提出了一个著名的预言:未来十年里,芯片的晶体管数量会每年翻倍。事实证明,这个预测非常精确。到1975年,最先进的芯片实际晶体管数量为65536个,几乎与当年预测的65000个相差无几。
实际上,Gordon Moore也没有想到当年的推测会这么精确。此时Gordon Moore也对之前的说法进行了修正,周期变成了两年。加州理工学院的教授Caverns Mead将其总结为半导体行业的规律,称之为“摩尔定律”,从此广为流传。在之后很长一段时间里,集成电路也如“摩尔定律”所说的轨迹那样发展。在2005年,“摩尔定律”40周年的时候,英特尔曾悬赏一万美元,寻找一本当年的《电子》杂志。由于《电子》杂志已在1988年停刊,而且专业性较强,数量并不多,不过最后由一位英国工程师提供了该期杂志获得了悬赏。
CPU工艺发展和制程节点变化1971年:10微米
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在1971年,英特尔发布了第一款微处理器4004,采用10微米工艺制造,仅有2300个晶体管,频率为108 KHz。微处理器的工艺是从微米(μm)时代开始,在随后超过30年的时间里,说起处理器的工艺,都是使用多少微米来说明。
1974年:6微米
在1974年,英特尔发布8080处理器。这是一款8位处理器,采用6微米工艺制造,有6000个晶体管。相比于8008处理器(英特尔第一款8位处理器)采用的PMOS电路,8080处理器采用的NMOS电路使得频率有大幅度提高,从0.5 MHz/0.8 MHz提高到2 MHz。8008处理器让英特尔乘上了发展的快车,帮助英特尔在随后几年占据了市场的领导地位。
1978年:3微米
在这一年,英特尔推出了第三代微处理器8086,这是一款16位处理器,采用3微米工艺制造,有大概2.9万个晶体管,频率有4.77 MHz、8 MHz和10MHz三个版本。IBM的第一台个人电脑就是使用这款处理器,对英特尔而言有着划时代的意义。
1982年:1.5微米
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80286是英特尔第一款以x86命名的处理器,采用1.5微米工艺制造,有13.4万个晶体管,频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。随后在1985年,英特尔又推出了同样制程工艺的80386处理器,这是一款32位处理器,有27.5万个晶体管,频率从12.5 MHz到33 MHz。
在这段时期,80386处理器得到了广泛的使用,虽然个人电脑的飞速发展,使得80386处理器在20世纪末已很少见到,不过很多特殊领域,不少机器长时间由80386处理器担当大脑的角色,比如嵌入式系统、工业电脑和航天航空等领域。因此英特尔在很长时间里一直生产80386处理器,持续到2007年才停产。
1989年:1微米
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80486是英特尔首个突破100万个晶体管数量的处理器,前后投入了3亿美元,花了四年的时间开发。其拥有125万个晶体管,采用1微米工艺制造,频率从16 MHz到100 MHz。其实后期的80386处理器同样转入1微米工艺制造,频率也提高到40 MHz。
1993年:0.8微米
在1993年,奔腾(Pentium)处理器横空出世,第一版的奔腾处理器采用0.8微米(800纳米)工艺制造,拥有310万个晶体管,频率有60 MHz和66 MHz两款。奔腾处理器的出现,也意味着英特尔的工艺从微米时代逐渐跨向纳米时代,同时开始打造处理器的品牌形象。不过0.8微米工艺制造的奔腾处理器发热量比较大,而且后来爆出了Pentium FDIV bug,使得英特尔一度非常尴尬,最后需要召回有问题的奔腾处理器。
1994年:0.6微米
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英特尔很快就改进了奔腾处理器的工艺,在频率75 MHz开始,奔腾处理器改为0.6微米工艺制造,电压由5V降到了3.3V,降低了发热量。在这段时间,英特尔和IBM在工艺研发上的多次合作,使得工艺推进速度很快。今年英特尔公布IDM 2.0战略公布后,就宣布了和IBM之间的研究合作计划,双方重新携手,将专注创建下一代逻辑芯片封装技术。
1995年:0.35微米
英特尔在奔腾 133开始将工艺进一步更新为0.35微米,这是纯粹的CMOS制程,芯片尺寸的缩小使得集成度提高,同时功耗降低,性能有了进一步的提升。0.35微米是一个颇为重要的制程节点,包括后来英特尔的奔腾MMX(Pentium MMX)、奔腾Pro(Pentium Pro)和奔腾II(Pentium II/Klamath核心)处理器,以及AMD的K5和K6处理器,都采用了该工艺。
1997年:0.25微米
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在1997年,英特尔推出了Deschutes核心的奔腾II处理器,采用了0.25微米工艺制造。后来英特尔最初的奔腾Ⅲ(Pentium Ⅲ/Katmai和Confidential核心)处理器也沿用了该工艺,拥有900万个晶体管,频率从450 MHz起步。AMD最初的K7处理器也是0.25微米工艺制造,这时期AMD在工艺上一般比英特尔稍慢一些。
可以看到在上世纪90年代,芯片制造工艺的更新换代速度很快,英特尔将周期缩短到两年左右。工艺上的领先使得英特尔的处理器在技术上有更大的设计余地,其他厂商采用同样制程节点的产品大多要比英特尔慢半拍才投放到市场,核心和工艺的领先使得英特尔有了一统天下的气势。另外从这时候开始,基于纳米的传统制程节点命名方法,已不再与晶体管实际的栅极长度相对应。
1999年:0.18微米
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在新世纪到来前,AMD的K7处理器诞生了,这是AMD第一次崛起的开始,对英特尔造成了很大的冲击。为了应对AMD强有力的挑战,英特尔发布了Coppermine核心的奔腾Ⅲ处理器,拥有950万个晶体管,频率从500 MHz起步,并最终历史性地首次突破了1GHz的关口。到了奔腾4处理器(Pentium 4/Willamette核心),处理器频率已经进入了GHz为单位的时代了,不过最早的奔腾4处理器仍采用铝互连技术的0.18微米工艺,拥有4200万个晶体管。
更好的工艺使得处理器在设计上有了不小的进步,片内集成缓存使得性能有了大幅度提高。
2001年:0.13微米
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在这个制程节点上,英特尔推出了首次应用铜互连技术的Tualatin核心奔腾Ⅲ处理器,以及Northwood核心奔腾4处理器,后者拥有5500万个晶体管,HT超线程技术也首次出现了,处理器的频率达到了3.2GHz的高度。在该制程节点,桌面处理器全面迈向64位时代,无论英特尔还是AMD的产品,大多功耗较低而且性价比较高,受到了许多消费者的欢迎。
2004年:90纳米
桌面平台上,英特尔在Prescott核心奔腾4处理器上首次使用该工艺。在这个时期,很多人也会将90纳米工艺习惯地称为0.09微米工艺。在这个制程节点上,英特尔的回忆并不美好,反倒是AMD有多款Athlon 64/Athlon 64 X2经典产品,也进入了AMD第一个高峰期。
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在90纳米制程节点上,英特尔收到了工艺上“泄漏电流”的影响,芯片额外的功耗增加了,使得处理器频率无法提高,发热量居高不下。这也让英特尔在工艺研发上投入了更多的资源,在随后的日子里,英特尔与AMD在处理器工艺上的距离逐渐拉开,从时间差变成了代差。
2006年:65纳米
英特尔在Presler核心的Pentium Extreme Edition 955处理器上首次应用了65纳米工艺,达到了3亿7千6百万个晶体管。新的制程节点,让Netburst微架构高频带来的高热情况有所缓解。当然,这不是该制程节点最大的亮点,Core微结构处理器的出现引领英特尔走进新时代,逆转了与AMD之间竞争的不利局面。这时期双核处理器逐渐成为主流,同时四核处理器也出现了。
2008年:45纳米
采用新制程工艺的Core 2系列处理器让英特尔的竞争优势逐渐扩大,其双核心版本拥有4.1亿个晶体管,四核心版本拥有8.2亿个晶体管。英特尔在90纳米制程节点上吃了苦头,深知漏电问题将会阻碍芯片的设计、大小、耗电量和开发成本。为了降低漏电情况,提升制程工艺的效能,英特尔引入了名为High-k的新材料制作晶体管闸极电介质,而晶体管闸极的电极也搭配使用了全新的金属材料组合。
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在该制程工艺上,英特尔还推出了最初的Nehalem微架构产品,也就是最早的酷睿系列处理器。同时英特尔提出了著名的“Tick-Tock”模式,每两年更新一次微架构(Tock),中间交替升级生产工艺(Tick)。在随后的数年时间里,英特尔按照自己的计划大步向前走,反观AMD,随着K10和推土机微架构的失败,加上处理器工艺上代差明显,几乎被拖垮。英特尔表示,从65纳米制程节点的Core微架构开始就在执行“Tick-Tock”策略,借助维基百科上的一幅图,可以简单清晰地看到“Tick-Tock”战略的推进。
2010年:32纳米
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最早使用32纳米的处理器仍然是Westmere微架构的产品,Nehalem微架构的32纳米版本,原生六核心的处理器也开始走进了人们的视野。在该制程节点上,更为著名的是Sandy Bridge微架构,采用了双栅极晶体管的32纳米工艺制造。在随后的几年时间里,英特尔严格遵循了“Tick-Tock”策略下的处理器发展计划。这一代处理器非常经典,让不少人喊出了“Core i7-2600K再战三年”的口号,虽然听起来更多只是在开玩笑,但可见Sandy Bridge微架构的产品非常深入人心。
2012年:22纳米
Sandy Bridge微架构的继任者是Ivy Bridge微架构,采用了3D三栅极晶体管(3D Tri-Gate)的22纳米工艺制造,实际上与后来使用的FinFET工艺技术已经很相似了。在2013年英特尔推出的Haswell微架构沿用了该制程节点,频率突破了4GHz。这时期英特尔和AMD的处理器在性能上差距比较大,出现了“i3默秒全”的说法。
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在这个时期英特尔可以说是引领制程工艺的发展,把其他同行都抛在了身后,意气风发的英特尔表示在工艺制程上领先同行3.5年。今天大红大紫的台积电(TSMC),在当年也就刚摸上了28nm工艺的门槛,而且仍在使用HKMG,同时产能也无法与英特尔相提并论。
台积电也有自己的应对方法,不完全按照45nm—32nm—22nm—14nm—10nm这样的制程节点提升工艺技术,不时地会推出半代的升级工艺,比如40nm工艺。当然,28nm工艺可以说非常地成功,时至今日应用也非常广泛,不过英特尔一直对这种抢占制程制高点的方式嗤之以鼻。
2015年:14纳米
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该制程节点是英特尔“Tick-Tock”策略崩溃的开始,虽然一开始遭遇了延期,但比起后期遇到的困难,应该说还算顺利。最早使用14纳米工艺的是Broadwell微架构,也就是Haswell微架构的14纳米版本。接下来的Skylake微架构相对来说比较成功,只是没想到此后数代酷睿系列产品在该制程节点折腾了好几年的时间,从14nm到14nm+再到14nm++,唯一的好消息大概是频率突破了5GHz。前一段时间我们超能课堂专门写了一期名为《Intel历代14nm桌面处理器回顾》,详细介绍了英特尔桌面处理器在14纳米制程节点的事,有兴趣的读者可以去看一下,这里就不再过多地重复叙述了。
三十年河东三十年河西,AMD却在这时期追了上来,2017年推出的第一代Ryzen系列处理器就用上了14nm工艺。从Zen架构开始,AMD也按照自己的节奏,按部就班地进行更新换代。随后AMD的Zen+架构产品采用了12nm工艺,已经有即将超车的苗头,虽然算不上真正的制程节点,但以往英特尔在制程工艺上的领先已经优势已经不多了。接下来的事情大家知道,AMD最终在处理器的性能和工艺制程上实现了反超,再次说明原地踏步不进则退的道理。
2019年:7纳米
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在2019年,AMD推出了基于Zen 2架构的Ryzen 3000系列处理器,采用台积电的7纳米工艺制造。毫无疑问,这是AMD和台积电的全面胜利。即便英特尔用尽方法为自己在某个制程节点上的技术领先辩解,也没办法掩盖AMD和台积电的光芒,特别是前者在短短几年时间里实现大翻盘的这个事实。当英特尔决定找台积电代工的时候,已从侧面说明双方目前所处的位置。
如无意外,在今年年末,我们将迎来英特尔的Alder Lake平台,也就是第12代酷睿处理器。这是英特尔在桌面平台首款基于10纳米工艺的处理器,也是首款采用big.LITTLE混合架构的x86桌面处理器。虽然英特尔在针对移动端和服务器市场已推出了10nm工艺制造的处理器,但桌面端实在落后太多。不过这也说明了经过多年打磨,英特尔的10纳米制程节点终于走向成熟,但有点为时已晚。
台积电工艺领先业界,英特尔重新定义制程
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台积电已取代英特尔,在工艺上处于领先的位置。目前台积电已推进到5纳米制程节点,而且越来越成熟,产能和良品率也逐步提升。台积电已开始部署3纳米制程节点的量产,并会向2纳米制程节点发起冲击。即便在台积电身后苦苦追赶的三星,虽然技术上处于落后,而且在制程工艺的命名上被人诟病,但整体情况仍然比英特尔要好。在未来,台积电和三星将会引入GAAFET全环绕栅极晶体管工艺。
在上个月举行的“英特尔加速创新:制程工艺和封装技术线上发布会”上,英特尔CEO帕特-基尔辛格(Pat Gelsinger)展示了一系列底层技术创新,除了公布全新晶体管架构RibbonFET和全新的背面电能传输网络PowerVia,还重点介绍了迅速采用下一代极紫外光刻(EUV)技术的计划。英特尔还有望率先获得业界第一台High-NA EUV光刻机,并加快推进制程工艺的创新,以确保到2025年制程性能再度领先业界。
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为此,英特尔重新制定了自己的制程路线图,并决定为其制程节点引入了全新的命名体系,取代以往的命名方法。英特尔认为,一个清晰而且一致的框架,有助于对整个行业的制程节点有更清晰和准确的认知。英特尔表示,将凭借RibbonFET和PowerVia两大突破性技术开启埃米时代。其中RibbonFET是对Gate All Around晶体管的实现,将成为英特尔自2011年推出FinFET以来的首个全新晶体管架构。
在接下来的数年时间里,台积电、三星和英特尔的制程工艺竞争将会变得更加激烈。
来源:超能网


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