【E問E答】半導體新制程節點定位命名誰說的算數？

　　半導體制程節點名稱出現前所未有的“增生”情況，產業界需要一種優良的公用性能基準，才能對不同業者的半導體制程技術進行比較。

　　這段時間以來，晶圓代工業者紛紛將他們自己的最新制程節點以自己想要的市場定位來命名，并非依據任何透明化的性能基準，而現在該是時候阻止這種“欺騙”行為。

　　英特爾(Intel)最近提出了一種簡單、但在某種程度上有點“自私自利”的電晶體密度量測標準，其他晶圓代工競爭對手則以“震耳欲聾的沉默”回應;筆者猜測，這是因為英特爾的電晶體密度確實具備領先水準，而這是其他競爭者不愿意承認的。

　　最近英特爾決定公開10納米制程包括鰭片(fin)間距、高度與最小金屬/邏輯閘間距等量測數據;雖然該節點還未開始量產，但這個行為值得稱贊。上述量測數據是所有的晶圓代工廠在首度發表一個新制程節點時，應該要提供的基本細節。

　　不過，從這類量測數據與電晶體密度衍生出的資訊無法窺得制程性能之全貌──如果無法讓電晶體支援明顯更高的速度或更低的功耗，無論它們密度有多高都沒用。

　　時間倒回2009年，當時ARM的技術長Mike Muller創造了“暗矽(dark silicon)”這個新名詞，表示根據他的觀察，工程師們正往裸晶上納入更多電晶體，但缺乏能讓眾多電晶體開啟的電源預算(power budget)。

　　英特爾的電晶體密度量測還有進步的空間，因為缺乏相關聯的性能/功率方程式，還是無法讓人縱覽全局;在過去幾年，產業界已經采納了用PPA指標──性能(performance)、功耗(power)與面積(area)──來量測半導體制程節點。

　　對此產業顧問機構International Business Strategies (IBS)建議，以“有效邏輯閘(effective gates)”做為量測基準;該機構執行長Handel Jones解釋，有效邏輯閘就是計算可用的邏輯閘數(英特爾的量測包含此項)，還有邏輯閘利用率與良率。

　　但他也指出，雖然可用邏輯閘數對量測制程性能有幫助，仍只能顯現“冰山的一角”，其中的困難在于：“廠商對于良率資訊非常保密，除非是單閘成本(cost per gate);但良率是非常關鍵的量測指標，會受到缺陷率(D0)以及參數性/系統性(parametric/ systemic)良率影響。”還關系到客戶會花多長的時間拿到芯片。

　　針對英特爾提出的制程量測基準，有幾位讀者提供了他們的看法;有一位讀者呼吁以奈秒(nanoseconds)/mm2為單位的RC時間延遲做為基準：“如果我們使用每單位長度的電容與電阻。”另一位讀者則認為，英特爾的量測基準并不實用，因為并沒有包括標準單元軌(standard cell tracks)資訊。

　　還有讀者表示，真正的量測應該是制程加上程式庫共同運作的表現，以及各種設計類型的性能標準：“我會想知道在實際的合成設計，像是大型ARM核心或x86核心SoC，在相同的時脈速率下，英特爾的程式庫/制程，與ARM/臺積電(TSMC)程式庫/制程的比較。”

　　有多位讀者都同意，最終每個節點的性能表現，還是得在以該制程生產的芯片銷售到市場上之后才能被實際檢驗;他們也觀察到臺積電與三星(Samsung)今年準備量產他們稱為7納米的制程，而英特爾則是量產該公司稱為10納米的制程。

　　資深市場分析師Linley Gwennap表示，英特爾的電晶體密度量測應該要與SRAM單元尺寸綜合，才能顯示完整的SoC尺寸全貌，特別是包含大量記憶體的處理器;他也呼吁晶圓代工業者應該提供有關他們制程節點的更多資料。

　　IBS建議芯片設計業者在選擇制程時考量此表格中的量測基準(來源：IBS)

　　越來越多的制程選項讓芯片業者霧煞煞

　　目前半導體產業界對晶圓代工制程性能量測基準的迫切需求是前所未見;像是在3月，臺積電就發表了三種新制程：22納米、12納米以及7+納米，此外該公司還有多種現有的16納米節點與10納米節點制程技術選項準備在今年量產。身為晶圓代工產業龍頭的臺積電想要以多種選項通吃市場，但有時只能硬擠出個位數字的性能提升。

　　在此同時，另一家晶圓代工業者Globalfoundries的22納米FD-SOI制程受到各家媒體熱烈報導，甚至刺激英特爾從最尖端制程節點往后退了幾步、發表低功耗22納米FinFET制程。

　　晶圓代工大廠們約會在2020年開始采用極紫外光(EUV)微影技術，而來自不同廠商的首批EUV制程可能會有很大差異，端看他們如何采用這種關鍵新工具。因此，無晶圓廠芯片設計業者，需要一種透明化方法來比較各種制程選項的優缺點。

　　然而，活躍于這個領域的產業組織，如GSA、SEMI與IEEE等，似乎并沒有在這方面做任何努力;其中代表無晶圓廠芯片業者的GSA特別應該要率先挺身而出，但針對此一議題，筆者嘗試聯絡幾位GSA代表，到目前為止都還沒有收到回應。

　　可以理解這是一個高度競爭的產業，因此充斥著各種商業機密;到目前為止，高通(Qualcomm)婉拒了筆者想了解該公司如何比較制程技術的采訪，Nvdia與聯發科(MediaTek)也沒有回應我的采訪邀約。這并不令人驚訝，他們可以借由“明智地”選擇制程技術，取得不想放棄的戰略優勢;在很多案例中，商業標準與技術標準的重要性可能是差不多的。

　　當蘋果(Apple)選擇臺積電做為應用處理器代工伙伴，三星一年損失的訂單金額高達數千萬美元;但有趣的是，幾乎在同一時間，高通開始委托三星以14納米與10納米制程，生產其多款Snapdragon處理器，而且三星成為第一家采用10納米Snapdragon 835芯片的手機業者(在Galaxy S8智慧型手機)。

　　半導體制造會牽涉到高科技領域中最復雜的技術-商業決策，影響范圍涵蓋廣泛的系統、軟件與全球各地的服務市場。但這個產業需要一些公用的性能量測基準，以理解不斷增生的制程技術選項;晶圓代工業者需要負起責任，提供相關量測指標數據。

　　英特爾對10納米制程細節與電晶體密度數據的公布是一個開始，其他晶圓代工大廠應該要跟進，并繼續邁出大步，提供制程相關性能與功耗等量測基準;但筆者并不預期廠商們會這么做，除非他們確實面臨到壓力。而現在該是像GSA等組織或任何其他人站出來發聲，打破沉默的時候了!