探索半导体技术节点的奥秘

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探索半导体技术节点的奥秘

在半导体芯片或SoC制造过程中，我们经常提到技术节点。例如，苹果的M1芯片基于5纳米技术节点，他们已经在iPhone 13中使用了这一技术。同样，AMD的最新CPU——Ryzen 7000系列也采用了五纳米技术节点，而且AMD正在与台积电进行讨论，将其缩小到三纳米和两纳米。当我们听到称为“纳米”的词语或者“制程技术”或“技术节点”时，你是否曾想过它究竟能代表什么意思？请不要认为它与晶体管的任何物理尺寸有关，那么到底是什么，为什么每个大品牌都在不断努力将制程纳米数减小？让我们找找答案。

半导体技术制程节点的定义

技术节点实际上与晶体管的物理尺寸没有任何关系。在早期的CMOS器件中，技术节点确实指的是晶体管的物理尺寸，也就是通道长度或者栅极长度。但是随着新一代制程节点的引入，晶体管采用了全新的三维结构，技术节点不再遵循实际的栅极长度，它失去了与晶体管的任何物理尺寸之间的显著类比关系。因此，技术节点更多地成为了一个营销概念，用于衡量新技术节点与旧技术节点相比的性能。

技术节点与晶体管物理尺寸的关系

晶体管是构成CPU、GPU或存储器单元的微小设备，在数字集成电路中作为开关使用。处理器和存储芯片的每一个功能都由这些微小的晶体管设备决定。过去，当我们提到128纳米、65纳米或130纳米技术节点时，实际上是指晶体管的最小特征尺寸，即栅极长度或通道长度。所有的光刻机和光刻制模板都是按照这个特征尺寸设计的。然而，当半导体工艺进入到22纳米这样的新节点时，晶体管的制造架构发生了改变，引入了三维FinFET结构。因此，技术节点不再与晶体管的实际栅极长度相关，失去了与晶体管物理尺寸的类比关系。

技术节点的演变

随着半导体技术的进一步发展，新一代制程节点如甲骨文节点（10nm）、盾牌节点（7nm）和大比特节点（5nm）相继出现。这些新的制程节点代表了先进的制程技术和更高性能的晶体管芯片。例如，三星和IBM今年推出了基于全栅极环绕FinFET（GAA）结构的三纳米技术节点。三星已经开始在移动电话上使用这种新技术节点。由于人们更偏向于这种技术节点的命名方式，比如22纳米、10纳米、12纳米等，营销专家建议继续沿用这种趋势。通过改进晶体管的性能，使其性能更佳，厂商们正在将技术节点缩小并给出一个新的数字来宣传其性能。

新一代制程节点的引入

新技术节点引入了一种全新的晶体管制造架构，以提供更出色的性能。例如，Intel的10纳米技术节点的制程参数与三星和台积电的7纳米技术节点非常接近。实际上，Intel的10纳米晶体管密度已经高于三星的7纳米，并与台积电的7纳米相当。同样地，Intel的14纳米性能参数已经接近三星的10纳米技术节点。Intel的市场团队注意到了这一点，因此他们制定了新的战略，将其10纳米技术节点更名为Intel 7，将其7纳米节点更名为Intel 4。通过这种方式，他们在市场上获得了新的关注度，用户们开始将其视为新的技术节点。随后，其他公司和代工厂也开始为自己的工艺节点命名一个无单位的名称，比如Intel的处理器芯片A16、三星的三纳米GAA技术手机芯片以及AMD RYZEN系列的三纳米处理器芯片。

制程节点的营销策略

由于技术节点仅仅是一个营销概念，因此每个公司对于其技术节点的定义和性能数值都有所不同。不同的公司通过微调参数来宣布新的技术节点，并吸引用户的关注。例如，苹果的5纳米制程节点可以在功耗、延迟和面积方面提供更好的性能。因此，当我们称某种设备的制程节点为5纳米时，实际上是指该设备在与低延迟、低功耗和更小面积相比的预期性能表现。因此，这个5纳米实际上并不是晶体管的实际通道长度或栅极长度，而是更大的数字。

新制程节点的成本与盈利

随着制程节点的缩小和提供更好性能的芯片出现，芯片制造的成本也变得非常高昂。因为整个机械设备需要更换成新的参数机器，并且成本高达数百万美元。然而，通过在产品中引入更多的芯片，使其与用户更加兼容，半导体公司正在提高产品的附加值，从而获得更多的利润。

结论

总结一下，技术节点实际上与晶体管的物理尺寸无关。它更多地成为一个营销概念，用于比较新一代技术节点与旧一代节点之间的性能差异。随着新一代制程节点的引入，晶体管的制造架构不断演进，以提供更高的性能。由于技术节点只是一个营销名词，因此每个公司都有自己的定义和参数。制程节点的缩小成本很高，但通过提供更好性能的芯片，半导体公司可以增加产品盈利，并使产品与用户更加兼容。