Intel對半導體製程的匠人執著。

在2018年，格羅方德宣布無限期停止7nm製程研發，正式退出先進製程競逐後，全球只剩台積電、三星、Intel三家半導體公司具備10nm製程以下的晶圓代工技術。
 
時常聽到傳聞說這三家公司大抵採用相同的製程節點數字，不過各家製程的品質其實不一致。最有名的案例莫過2015年底蘋果A9處理器的晶片門事件，相同的晶片設計，同時採用台積電16nm製程和三星14nm製程生產，產品在評測時竟然出現了明顯的效能差異，而且還是由製程節點數字看似較差的台積電勝過三星。

近期Digitimes整理了這三家半導體公司在10nm、7nm、5nm、3nm、2nm製程節點的演進對比圖，採用的對比指標參數的是電晶體密度，或稱面積密度，即每平方毫米的電晶體數量。

顯而易見的，在10nm製程部分，Intel每平方毫米含1.06億顆電晶體，是台積電和三星的兩倍以上；在7nm製程部分，Intel預計做到每平方毫米含1.8億顆電晶體，還是將近兩倍於台積電的9700萬顆電晶體和三星的9500萬顆電晶體；而在5nm製程部分，Intel預計挑戰每平方毫米3億顆電晶體，相較台積電的1.73億顆電晶體，三星的1.27億顆電晶體，Intel依然保持很大的差距。
 
從以上數據的比較可以得知，單論面積密度，Intel的10nm製程不會輸於台積電和三星的7nm製程，Intel的7nm製程亦不會輸於台積電和三星的5nm製程。
 
雖然大家常常挖苦Intel只會「擠牙膏」，數據一攤開來卻發現，原來Intel才是半導體製程領域中的最強者？真實情況竟是「擠牙膏都比對手強」？

 
可是問題來了，近兩年來AMD在電腦CPU市場對Intel演出了精采的大逆襲，許多人都評論AMD確實在自身處理器架構改善很多，但Intel晶片設計部門的實力絕對不會輸AMD。相對於AMD受惠改用台積電7nm製程，Intel卻苦於自家先進製程研發進度落後，半導體製造部門在14nm製程卡關許久，只能被迫以較差的舊製程去和AMD對決。
 
明明Intel在相同製程節點的面積密度勝過台積電，為何會以較差的舊製程去迎戰AMD？到底怎麼一回事？
 
Intel在晶片市場取得重大成功的其中一個要素，在於自家半導體製造部門和晶片設計部門的緊密合作，對兩領域的研發能力及掌握度都極高，能夠按照規畫的研發步調穩定前進，可謂垂直整合製造型半導體公司（Integrated device manufacturer或IDM）的典範。
 
過往很長一段時間，Intel的半導體製程技術都保持領先，如在2012年即實現22nm製程量產，大幅領先其他對手，當時根本沒把台積電和三星放在眼裡。
 
在這個時期，晶片設計部門基本上維持著「Tick-Tock」的研發模式，即每一代的電路架構和半導體製程的更新時間交替錯開。
 
「Tick」代表著半導體製程的世代更新，在電路架構大致相同的情況下，透過製程微縮減少晶片面積、功耗；而「Tock」代表著電路架構的世代更新，在維持使用同一代製程的情況下，著重於修改電路架構以提升效能。一次「Tick-Tock」完整週期為兩年，「Tick」和「Tock」分別各佔一年。
 
由於完整週期長達兩年，這對消費市場更迭速度實在有點偏久，Intel因而贏得了「外星科技牙膏廠」的諢號。
 
2014上半年是一個重要的轉捩點，14nm製程並未如期達到量產標準，導致Intel的晶片設計部門必須繼續使用22nm製程。直到2014下半年，終於等到了14nm製程，但對晶片設計部門來說，14nm製程只是噩夢的開端。
 
進入14nm製程後，Intel半導體製造部門在先進製程的研發愈趨困難，10nm製程研發進度一延再延，晶片設計部門的研發模式不得不從當初的「Tick-Tock」交替更新，到22nm製程時破天荒出現第一次的「Tick-Tock-Tock」後，再變成「Tick-Tock-Tock-Tock…」，同一代製程沿用多次從此成為常態現象。
 
要知道晶片產品的開發週期動輒以數年為單位，對製程的妥善利用需要長期規劃，半導體製造方負責試產和調整良率，確保產能需求，IP、memory、IO等元件library要準時就位，方便打通整合流程。晶片設計方則根據半導體製造方所提供的該世代製程規範同步進行研發，最後雙方才能在訂好的時間點實現合流。

按照正常的半導體製程研發狀況，上一代製程開發完畢且成功量產後，只須留下少部分人力繼續維護即可，主力研發團隊可以轉攻下一代製程了，甚至先去探索下兩代製程。
 
Intel在10nm製程研發進度嚴重落後，迫於晶片設計部門的需求，不得不留下不少人力持續改善14nm製程，因此能投入下一代10nm製程和下兩代7nm製程的研發能量自然便減少了。推出14nm改良版後，10nm製程還是拖延，然後推出14nm再改良版，10nm製程又拖延，只好再推出14nm再再改良版，情況陷入惡性循環。

 
追根究柢，還是Intel半導體製造部門在先進製程的研發上，對於摩爾定律（Moore’s Law）有一種近乎宗教信仰的崇敬，擬訂的目標和規格就太過激進和理想了，每代製程微縮後的面積密度必須符合摩爾定律所預測那般不斷倍增，結果是連半導體製造部門自己都無法準時讓良率達標。
 
在半導體產業發展早期遵循摩爾定律無疑是合理的做法，不過隨著製程不斷微縮，以往諸多不用考慮的量子層級現象與效應逐漸浮現，對元件性能的影響愈趨嚴重，譬如著名的漏電流問題，或不同電晶體、導線的間距愈來愈近，導致寄生電阻、電容過大而降低充放電速度。

 
我個人完全同意Intel的製程技術在面積密度上傲視群雄，可是要評斷一個製程是優或劣，絕非僅看面積密度，良率、功耗、頻率、性能、偏移範圍、客製化元件數量等都屬重要指標。

 
若只有一項指標極端優異，其餘諸項指標遠較為低劣，造成管線級數不好切、邏輯閘層至實體層的電路時序不易收斂等額外負擔，迫使晶片設計者從前段的電路架構到後段的實體布局，都得為了避開那些負面特性而絞盡腦汁、尋找替代方案，甚至做些冗餘電路以減少問題發生、提高研發效率，這樣還能算是一個好的製程嗎？

既然實際綜合效益相較預期大打折扣，試問堅持面積密度還有什麼意義呢？
 

事實上在16nm製程啟用鰭式電晶體（FinFET）後，台積電和三星在製程演進上的研發，考量到製程技術對晶片設計者的使用效益，面積密度部分皆已不是和每代製程節點數字的比例完全相符。尤其台積電從20nm製程跨入16nm製程時，因為大幅降低功耗的需求而從平面式電晶體全面翻改成鰭式電晶體，面積密度只改善了約10%，並不影響16nm製程被晶片設計者普遍公認為非常優秀的製程。

退一步來說，Intel引以為傲的面積密度，只要仍然無法量產那就是空談。縱使三星要進展到5nm製程時面積密度才確定贏過Intel的10nm製程，至少三星的5nm製程已經穩定量產了，而Intel的7nm和5nm製程的面積密度都還只在評估階段，至於各方面指標都在三星之上的台積電就更不用比了。

 

然而無論業界情勢怎麼變化，顧問提出何種建議，具體分析台積電和三星在先進製程的研發上是如何對面積密度做適當妥協，某程度而言對晶片設計者效益更大，Intel半導體製造部門始終堅持初心。

 
我不清楚如此想法、如此態度，到底是一種匠人執著呢？抑或是對於自己身為半導體創始元老這個身分的驕傲與責任？
 
有了10nm製程落後多年的慘痛教訓，研發7nm製程時似乎想開了一點，略為放寬目標和規格。沒想到接著傳出半導體製造部門想在7nm製程上啟用閘極全環式電晶體（Gate-all-around或GAAFET）。
 
這個新式元件和當初16nm製程的鰭式電晶體地位類同，都是半導體製程上劃時代的突破，若沒有它們則摩爾定律可能提前終結。台積電在7nm製程嘗試過後選擇先暫時擱置，據說三星沒有實驗過，但一看台積電沒打算啟用後也就跟著擱置，目前消息指出這兩家公司皆預計要到3nm或2nm製程才會正式啟用閘極全環式電晶體。

 
可是豈能將Intel與台積電和三星相比，或許是其有著身為半導體創始元老的驕傲與責任，當然充滿著挑戰閘極全環式電晶體的雄心壯志。付出的代價是7nm製程的研發進度毫不意外地又不斷延後，接著只能認命宣布同樣先暫緩閘極全環式電晶體。
 
事態發展到這種地步，現在業界人士都十分好奇究竟Intel的7nm製程會落後幾年才成功量產。
 
談到這裡相信不免有人感到疑惑，為何半導體製造部門當初在擬定目標和規格時不與晶片設計部門討論呢？顯然一味追求面積密度只是作繭自縛呀。
 
這就牽扯到Intel內部的政治問題了，據聞不僅晶片設計部門和半導體製造部門背後屬於不同派系山頭，而晶片設計部門內部又有分為CPU、GPU等不同開發團隊。
 
其實就以面積密度這件事來說，半導體製造部門倒不是完全沒有參考晶片設計部門的意見，譬如GPU設計團隊對如此規格便還能接受，因為GPU相關電路架構在設計概念上本來就相對重視面積密度，而非操作頻率，與之相對的CPU設計團隊可就叫苦連天了。
 
先進製程的研發進度落後，只能用較差的舊製程和對手競爭，確實為晶片設計部門帶來很大的困擾，然而真正令他們陷入噩夢的是，身處困在14nm製程而遲遲等不到10nm製程這個窘境下，公司高層只能對電路架構世代更新的研發速度要求更加急迫，效能提升要求更為嚴苛。因而嚇跑了不少CPU設計團隊的員工，導致在晶片設計領域也逐漸被落後的AMD追近，幾可說走錯一步，步步皆錯。

 
說真的我無法理解Intel在半導體製程研發上的匠人執著及其連帶造成的骨牌效應，當然了，「外星科技牙膏廠」的諢號豈是平白無故得來？難保Intel現在的情況對其只是場小逆風，過兩年便橫空出世領先所有競爭對手的最新技術也不無可能；但相反的若不願調整路線，當半導體製造和晶片設計兩方面技術皆繼續衰敗至大幅落後時，或許就能見證到Intel至此走下神壇。