聊聊英特尔10纳米节点：过去、现在与未来

如果我们身为英特尔这样的全球最大微处理器供应商兼一线半导体制造商，大家往往会设定下雄心勃勃的发展目标，借此保持市场优势并一路在竞争中取得领先。英特尔公司当然也是这样，巨头的姿态让他们长期坚持10纳米制程工艺，也不得不因此而推迟上线芯片的批量化生产能力、调整发展路线图、甚至被迫重新考量一部分企业战略因素。虽然目前英特尔已经在10纳米领域取得进步，但台积电与三星已经将制程工艺进一步缩小至7纳米、6纳米乃至5纳米——如今的芯片巨头，手里还有王牌可打吗？

当一家企业着手设计新的制程技术时，往往需要在性能、功率与面积（共称PPA）方面设定明确目标。半导体外包代工商有时候需要牺牲其中一个方面，借此换取另一个方面的顺利实现——这主要是因为半导体行业往往需要每年推出一种新的制程工艺，因此只能采取高度迭代化的设计方法，引导客户更积极地每年更换SoC产品。这样的工艺升级路径分为多个节点，节点又分长节点与短节点。二者的区别在于，短节点生命周期更短，往往几年后即遭淘汰。总而言之，英特尔以往主要选择Tick-Tock（一年升级制程、一年升级架构）的间隔式发展思路，逐步提升制程工艺中的PPA三大支柱。在10纳米节点（也被称为英特尔1274）方面，芯片巨头希望能够将晶体管密度提升至14纳米节点的最多2.7倍（在使用6.2T高密度库的情况下）、同时将性能提升25%，或者在同主频情况下将功耗降低至14纳米节点的50%左右。

英特尔所公布的10纳米制程特性当中，有相当一部分与台积电公司的第一代7纳米制程工艺（N7）非常相似。但当初英特尔打算于2016年开始大批量生产其10纳米产品，这一时间点比台积电的N7量产要早上两年。单在计划方面，英特尔再一次在市场竞争、特别是高性能计算（HPC）领域的市场竞争中大幅领先于对手。

英特尔将这一雄心勃勃的晶体管密度提升目标命名为“Hyper Scale”，即超规模，但之后又抱怨这项目标导致产能下降且产品成本较14纳米制程大幅提升。与此同时，英特尔方面还需要为这项10纳米制程工艺设计出更大的尺寸缩小空间，从而在维持摩尔定律的同时（周期可以适当放缓）控制裸片尺寸并降低成本（即每美元生产更多产品单元）。随着每一代制程工艺的发展，每平方毫米的芯片制造成本一直趋于增长，因此在PC等大规模市场，必须保证各个节点要么成本更低、要么至少得维持成本稳定。

总体而言，英特尔的10纳米节点就是一项使用FinFET晶体管并以13层金属化堆栈为基础的制程技术。要想他们提出的“超规模”目标，关键在于实现有源栅极（COAG）接触，其中前2层使用钴互连（填充）以将区域内的电阻降低50%（相较于钨材料），并将电子漂移降低至五分之一到十分之一的水平，借此缩小互连结构大小、在线前端（FEOL）用Fin建立自对准四重图案（SAQP）并用栅极建立自对准双重图案（SADP），而在前后端（BEOL）中则通过SAQP建立选择性金属层。这还不是全部，英特尔还需要引入“单拟栅极”等多种其他技术。

目前，所有领先制程工艺在本质上都高度依赖于多图案化技术。因此，在10纳米场景下，英特尔必须使用四重、五重甚至六重图案进行图案选择。在最复杂的情况下，英特尔需要对10纳米晶圆进行6轮光刻才能“绘制”完成一种图案。多图案不仅延长了生产周期，往往也会降低良品率，并导致成本大幅增（降低毛利与纯利润）。现在回头来看，只有极紫外线光刻（EUV）技术才能达成超规模目标中提出的多重图案设计思路，但2016年的时候这种光刻方法还远未成熟，因此英特尔的计划也只能不断延后。

另外，除了英特尔之外，再没有其他半导体制造商会在7纳米或者10纳米技术方案中使用SAQP来建立BEOL。因此，一部分行业观察人士认为SAQP才是引发良品率下降的元凶。出于种种原因，我们似乎不可避免地要在10纳米及以下节点中使用钴或钌材料，但英特尔在最初进行10纳米节点研发时并没有太多考虑钴材料这个选项，所以也有人认为贸然引入钴材料是影响良品率的原因。后种理由似乎更为可信，因为在使用钴材料后，英特尔必须引入新的电子束检查工具，而这确实给芯片制造带来了意外变数。

Applied Materials公司技术项目主管Nicolas Breil在两年前的IEDM演讲中提到，“物理尺寸的缩小反过来对于金属化工艺提出了更高的要求，一旦发生间隙填充不完全或者空隙化问题，批量生产就将遭遇阻碍。由于钴材料中的空隙通常小于钴导线的线宽，因此制造商必须能够检测到低至5纳米级别的微小空隙。而对于一切小于10纳米的空隙，至少要使用小于3纳米的光斑才能完成检查。”

与传统光学检查工具相比，单电子束检查工具的处理速度较慢（后来虽然出现了多电子束检查工具，但速度提升仍然有限），而且其分辨率也不足以检查这批即将发布的新型处理器。因此，直到现在电子束工具也主要被用于制程鉴定与校准，仍未全面用于空隙检查。

英特尔一直是家颇具进取心的企业，之前也曾多次大刀阔斧推进领先于全行业的新型技术。但在10纳米工艺这道关联面前，英特尔第一次让创新比例全面超越传统继承，也因此面对着巨大的投入风险。

Insight 64公司研究员Nathan Brookwood表示，“现在回想起来，当时我接触过的英特尔员工都有点过度激进。”

2015年7月，英特尔公司首次承认其10纳米技术出现了问题，并表示多图案化设计思路导致缺陷密度提升、良品率下降。不过芯片巨头当时还承诺，将在2017年下半年开始将首批10纳米产品投入量产，代号为Cannon Lake——这比初步计划晚了大约一年。2018年初，英特尔方面表示其已经开始销售Cannon Lake CPU，并将在同年晚些时候进一步增加产能。但到2018年4月，该公司承认由于产量过低，首款10纳米CPU的全面量产将被迫推迟到2019年。后来的情况大家应该都知道了，第二代英特尔10纳米制程工艺（与10nm+不同）于2019年实现投产，且较最初的10纳米制程工艺有了一系列显著改进。

（编辑：52站长网）

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