摩尔定律遇到瓶颈，制程缩小成本上涨成挑战

虽然有了FinFET技术，摩尔定律得以继续往前走，但英飞凌首席执行官莱茵哈德·普罗斯仍然认为：“从28纳米向20纳米过渡的时候，我们第一次遇到了晶体管成本上升的情况。摩尔定律正在走向终点。”

为什么普罗斯这么认为呢？因为FinFET技术在维持高参数良品率以及低缺陷密度上的难度加大，解决不了性价比的问题。随着研发难度和生产工序的增加，从20纳米、16纳米到14纳米，各制程的成本一直都高于28纳米。这是摩尔定律运行六十多年来首次遇到制程缩小但成本不降反升的现象。由于性价比提升一直以来都被视为摩尔定律的核心意义，所以28纳米以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志，而28纳米也作为最具性价比的制程工艺长期活跃于市场。

在设计成本不断上升的情况下，只有少数客户能负担得起转向高阶节点的费用。28纳米芯片的平均设计成本约为3000万美元，16纳米、14纳米的则升到8000万美元，设计7纳米芯片则需要2.71亿美元（Gartner数据）。对于多数客户而言，转向高阶节点制程的芯片设计费用实在太昂贵了。虽然高端市场会被7纳米、10纳米、14纳米、16纳米制程占据，但28纳米制程不会退出。

28纳米节点后的晶体管成本上升是摩尔定律失效的第一个重要标志，第二个重要标志则是“功率墙”（Power Wall）。被誉为“DRAM之父”的登纳德提出了“登纳德缩放比例定律”，意思是每一代芯片的工作频率（也被称为时钟速度）会比上一代产品提高40%。当微处理器的频率提高了1000多倍以后就遇到了功率墙。因为晶体管再小，功率密度也是保持不变的，它终究会遇到频率无法再提升的临界点。自2005年起，微处理器的频率就被限制在了4GHz左右。

摩尔定律失效的第三个重要标志则是，晶体管不再按照原来的速度减小尺寸。

在28纳米节点之前，半导体产业界基本是按照摩尔定律所要求的节奏来走的。性能提高一倍，就意味着晶体管的面积要缩小一半，这样才能保证在同样面积的芯片中装入两倍数量的晶体管。晶体管近似于一个正方形，它的面积等于长度的平方。面积缩小一半，就意味着长度要缩小70%。所以，新一代晶体管的长度都是在前一代的70%左右。从130纳米、90纳米、65纳米、45纳米到32纳米，都是这么走的。由于晶体管的长度与沟道的长度差不多，所以也可以近似地认为这些节点的纳米长度指的是沟道长度。

按照原来的路径，从32纳米再往下走，就应该是32纳米的70%，即约22纳米。前文说过，在这时遇到了技术瓶颈，只做出了28纳米。再往下走，由于使用了FinFET技术，沟道不再是一条直线，沟道的长度开始大于晶体管的长度，所以沟道长度不再与晶体管的工艺节点相关了。英特尔还是老老实实地把晶体管的长度作为工艺节点的标识，从22纳米到20纳米，一步步往前走。这时候，三星电子动了歪心思，仍然按照原有的“乘以70%”的模式对工艺节点进行命名，20纳米的70%即14纳米。从营销的角度来说，数字越小就显得性能越强大。台积电、格罗方德等厂家被迫跟进，否则就会丢掉市场。从此以后，就有了14纳米的70%，即约10纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米……实际上，业内认为：英特尔的20纳米相当于台积电的16纳米或三星电子的14纳米，以此类推，此后台积电和三星电子的节点数字相对英特尔来说都是有水分的。

台积电的工艺节点数字有水分，实力却是明摆在那儿的。2000年左右，台积电全球营收约53亿美元，这个规模大概在全球第10多位的位置上徘徊（排名第10的飞利浦是63亿美元），约莫是一家中型半导体企业。当时的龙头巨擘英特尔的年营收约为300亿美元。到了2019年，台积电的营收增长到346亿美元，虽然销售规模还只有英特尔的一半，但其市值于当年10月9日达到2524亿美元，首次超过英特尔成为全球市值最大的半导体企业。到了2020年9月8日，台积电市值竟高达4035亿美元，几乎是英特尔同期市值的两倍。这绝对不是当年给了台积电第一桶金的英特尔预料得到的。三星电子的市值也超过了3000亿美元，把英特尔远远抛在后面。

在目前全球最先进的5纳米制程上，台积电的产能已经满产，主要给苹果iPhone 12供应A14处理器芯片和给华为Mate 40供应麒麟9000芯片。三星电子的5纳米制程也进入了量产。在16纳米及以下的先进制程中，台积电提供的选项最多。截至2020年7月，共有10种制程供客户选择，从16纳米、12纳米、10纳米、7纳米到5纳米都有。反观三星电子，只有6种制程选项，而英特尔只有4种。目前晶圆顶尖制程的竞争就只剩下台积电（量产5纳米）、三星电子（量产5纳米）、英特尔（量产10纳米，相当于前两者的7纳米）和中芯国际（冲击7纳米）4家，格罗方德和联华电子在7纳米制程上就已宣布退出竞争，不再砸钱研发和投产更先进的制程。

IDM厂就更不用说了。除了英特尔，其他IDM厂在芯片先进制程上的竞争一向落后于晶圆代工厂。由于纳米级别的先进制程技术的研发和资本开支实在太高，绝大多数IDM厂实在无法承担，包括德州仪器、意法半导体、英飞凌、恩智浦、飞思卡尔在内的众多大厂都停止了对先进制程晶圆厂的投入，富士通、松下、瑞萨电子、东芝和索尼等也都转型为轻晶圆厂（Fab-Lite）^[1]。在130纳米工艺节点上全球有近30个玩家，到28纳米工艺节点时减少到10个，愿意参与7纳米竞争的就仅剩4个。(www.xing528.com)

5纳米制程在现阶段仅用于手机处理器芯片的生产。消费者愿意付出高价格来使用拥有最先进制程处理器的智能手机产品，手机厂商也就愿意为使用最新制程工艺生产出来的手机处理器支付更高的价格。手机处理器是对芯片先进制程最敏感的领域，苹果、高通、三星电子、海思、联发科等系统芯片大厂之间在手机处理器性能上的竞争非常激烈，一旦落后一代就会产生20%～40%的综合性能差距，这在更迭迅速的消费电子市场是不可接受的。因此，手机处理器厂商都是顶尖制程的忠实客户，不惜花费重金争夺最先进制程芯片的产能。

当芯片制造的工艺节点从3纳米再往下发展时，FinFET技术又不够用了，环绕式栅极晶体管（GAAFET，Gate-All-Around FET）隆重登场。FinFET是将晶体管从平面改为立体，沟道被栅极三面包裹；GAAFET则更进一步，其沟道被栅极四面包围，能进一步改善栅极对电流的控制。三星电子、台积电、英特尔都在对GAAFET技术进行研究。在权衡技术成熟度、性能和成本等因素后，台积电的3纳米制程首发还将沿用FinFET方案。三星电子则比较激进，已经先一步将GAAFET技术用于3纳米芯片的制作。由于在7纳米和5纳米的节点上，三星电子的工艺进度都落后于台积电，三星电子期望于2021年抢在台积电之前完成3纳米工艺的研发。

GAAFET技术还有许多难题需要攻克，三星电子能否换道超车打出一场漂亮的翻身仗，还是会因技术迟迟无法突破而痛失3纳米芯片市场的竞争？得知三星电子的最新动态之后，台积电也提前启动了3纳米GAAFET技术的研发计划。台积电能否再次成功狙击三星电子？这场激动人心的芯片制程技术之战还在紧张地进行中。

即使台积电和三星电子造出了3纳米乃至2纳米制程的芯片，这场延续了六十年的硅晶体管竞争也终将走向终结。

为了协调半导体产业的发展，从20世纪90年代起，国际半导体产业界开始筹划研究路线图，美欧日韩及中国台湾等半导体产业发达的国家和地区都参与其中。从1998年开始，国际半导体技术路线图（ITRS）每两年发布一次。然而，2016年发布的新路线图首次不再强调摩尔定律，而是超越摩尔的战略（More than Moore strategy）：以前是应用跟着芯片走，今后则是芯片为应用服务。这对中国企业是个好消息，中国企业不久以后将不再需要在追赶摩尔定律的道路上疲于奔命，而应用方面则是中国企业的强项。这是BAT（百度、阿里和腾讯）相继进入应用定制芯片开发的背景，中国芯片要靠BAT，绝不是个笑话。

摩尔定律走向终结，还有一个重要原因是光刻机的研发到极紫外技术时已到极限，光学光刻机至此已到终点。

【注释】

[1]轻晶圆厂（Fab-Lite），指自身仅拥有生产成熟产品的8英寸产线，而把需要12英寸产线生产的先进制程产品生产外包的半导体厂家。