两年后用1.8nm制程反超台积电、三星,英特尔能做到吗?

来源:观察者网

2023-03-15 11:36

【文/观察者网 吕栋】

近些年,美国半导体巨头英特尔在先进制程上的延误,不仅给了台积电、三星在芯片制造上领先的机会,也使得自家CPU等产品受到拖累,导致市场份额被AMD蚕食、股价受挫。要想重现往日辉煌,这家坚持IDM模式(垂直整合制造)的老牌巨头,首先还是要在制程上实现反超。

近日在2023英特尔中国战略媒体沟通会上,英特尔研究院副总裁、英特尔中国研究院院长宋继强告诉观察者网,英特尔正通过“四年五个节点”的计划,加速推动摩尔定律。

“相信到2025年,英特尔能通过Intel 18A(1.8nm)节点,重新拿回制程、晶体管制造方面的领先地位,英特尔的愿景是到2030年可以在一个封装内集成1万亿个晶体管。”

宋继强透露,英特尔所说的“五个节点”分别是Intel 7、Intel4、Intel 3和Intel 20A、Intel 18A。在Intel 7(原10nm制程)上,英特尔使用的还是DUV(深紫外)光刻机,从Intel 4(原7nm制程)开始使用EUV(极紫外)光刻机,Intel 3将全面使用EUV光刻机。

英特尔制程路线图

“到Intel 20A又会有很大突破,这个突破源自于几样非常先进的设备。”宋继强表示,英特尔到Intel 20A会开始采用高数值孔径(High NA)的EUV,这种光刻机可以去刻画更细的特征尺寸,分辨率更高,可以减少工艺流程的复杂度,降低缺陷,制造更高性能的晶体管。

观察者网之前报道过,早在2018年,英特尔就率先向荷兰光刻机巨头阿斯麦下单第一代高数值孔径(0.55 NA)EUV光刻机,该公司也有望成为首个0.55 NA EUV光刻机的使用者。这种光刻机每台售价约为3亿美元(约合人民币19亿元),比0.33 NA光刻机的售价高出一倍。

在同一场沟通会上,英特尔中国区董事长王锐向观察者网透露,Intel 7已经批量生产,Intel 4今年下半年就会进入市场,Intel 3的进度也非常好。接下来是Intel 20A、Intel 18A,20A是2nm,18A就是1.8nm,测试芯片现在已经流片,所以英特尔坚信到2025年能“重回领先地位”。

据宋继强介绍,在晶体管结构层面,英特尔在Intel 20A中会应用RibbonFET,之前的Intel 7、Intel 4、Intel 3全都是FinFET鳍式晶体管,而RibbonFET是GAA全环绕栅极晶体管的一种实现。同时,在Intel 20A,英特尔还将首次在晶体管结构里采用背部供电结构,这可以让逻辑层和供电层分开,否则绕线会很复杂,因此背部供电能在绕线方面节约大量成本。

目前,英特尔在先进制程上最大的竞争对手无疑是台积电和三星,这两大巨头已在2022年相继量产3nm。尽管外界不断质疑台积电、三星在制程命名上玩文字游戏,甚至三星的3nm制程晶体管密度还不如英特尔7nm制程,但王锐等高管也坦承,英特尔在制程上确实落后了。

台积电、三星、英特尔等厂商不同制程节点的晶体管密度对比 图源:DigiTimes

激烈竞争之下,台积电和三星已相继官宣2025年将量产2nm制程,英特尔要想在2年后完成制程上的超越,就必须在2025年实现Intel 18A量产,但这谈何容易?

虽然英特尔坐拥世界上最先进的光刻机,但宋继强也坦言,到“埃米时代”(2nm之后),晶体管微缩难度会越来越大,需要寻找新的思路来继续增加单位面积上的晶体管密度。

在英伟达CEO黄仁勋喊出“摩尔定律已死”后,英特尔CEO基辛格依然倔强地认为,“摩尔定律没有死,它还活得好好的”。目前,英特尔单个芯片最多封装1200-1300亿个晶体管,距离2030年实现1万亿的目标还有8倍,时间还有8年,如果按照这个节奏走,仍然符合摩尔定律的发展趋势。

但问题是,英特尔将通过什么方式将摩尔定律延续下去?

虽然硬件是英特尔的传统强项,但这家芯片巨头近些年在软件方面的投入也持续引发关注。在重回英特尔担任CEO之前,基辛格曾在美国软件公司VMware担任CEO八年之久。目前,英特尔有1.9万名软件工程师,过去几年该公司还加入了中国主导的欧拉和龙蜥等开源社区。

在本次媒体沟通会上,英特尔副总裁兼软件生态部总经理李映宣布,英特尔中国开源技术委员会正式成立。他提到,希望通过新成立的平台,一方面在内部整合资源,把英特尔全球的创新跟中国本土创新结合起来,另外是打造开放生态,和伙伴一起共同推动开源以及生态的发展。

李映向观察者网坦言,前几年可以说中国在开源领域只索取不付出,但放在今天,这种观察已经有点过时。以Linux来讲,可以看到中国开发者的贡献在大幅度提高。第二,在整个开源社区的推广、运营,以及各个方面的活动中,中国投入都是非常巨大的,中国公司或者是中国开发者主导的项目也越来越多。

会后,宋继强和李映也接受了观察者网对话,解答了英特尔在硬件层面如何进一步推动摩尔定律发展,在实现万亿晶体管过程中,还有哪些技术难点有待突破?以及在软件层面,英特尔如何与中国主导的开源社区进一步合作,怎么看待中国在开源领域近些年的发展等?

以下是部分对话实录:

问:现在都在说摩尔定律的发展速度在放缓,刚刚您在会上也讲了包括3D封装、芯粒、异构集成这些技术,可以推进摩尔定律继续向前发展。在您看来,这些技术当中,哪些是相对来说是比较关键的?未来在实现万亿晶体管的目标过程当中,还有哪些技术瓶颈需要突破?

宋继强:在整个芯片或者说半导体晶体管发展过程中,大概每隔几年就会有一个问题是说摩尔定律还能不能走下去。如果说有兴趣看看半导体发展或者是芯片发展的简史,你会发现这个问题时常被提及。

摩尔定律首先不是一个物理定律,而是业界的戈登·摩尔在60年代做的预期,结果发现走得挺好,尤其是上世纪八九十年代,通过Dennard scaling,通过CMOS晶体管微缩被印证得非常好。然后,到后面Dennard scaling失效之后就受到了困扰,怎么办呢?半导体业界人士都是很坚持摩尔定律的,他们都是来自不同领域的科学家,总是会想各种不同的方法去突破现在技术的壁垒。

在最近这十来年,实际上已经突破了一个个壁垒,像应变硅,像高K金属栅极的工艺,像英特尔把FinFET做成了量产,这些都是逐渐突破原来的一些让微缩进行不下去的漏电问题、面积问题等所产生的创新技术。在一项技术真正产生商业化效应,量产效应的十年前,学术界就把它提出了,但是这条路径真正要把它商业化,需要大量的先导工作。

现在来讲,如果说我们的愿景,一万亿晶体管集成在同一个封装当中能实现,一定是既要把晶体管微缩继续做下去,虽然说我们知道接近物理极限会越来越难,但是还是有新的一些材料可以用,有新的一些结构可以去探索,所以在晶体管本身,还是可以进一步依靠它去达到更好的微缩的效果。

所以,我们可以期待在Intel 20A、Intel 18A之后,还会有新的节点出来,也就是说埃米时代还会继续向前推进。但确实是越往前推进,越接近1纳米的时候,原子级别的效应就会让晶体管越来越难被控制。因此,必须要同时另辟蹊径,现在异构封装就是一个非常好的方式。

我们知道,要靠芯片完成一个具体任务的话,一种方式是堆越来越多的晶体管,这个晶体管是干什么的?它可能是跟通用计算相关的,也可能跟具体的工作负载加速相关。所以我们首先可以去看如何通过不同的架构去把晶体管的效率提升,不同的架构可能有的是需要非常多的同质化的晶体管,有的是需要不同的控制流、数据流,都要去分开,所以它们的密度要求也不一样。

为什么我们强调要异构封装呢?因为现在很多流行的芯片对存储的要求很大,而存储的微缩的速度是跟不上逻辑的速度的。把存储和逻辑分开之后,就会发现其实我们可以各用自己比较成熟的工艺去做好之后,再利用先进封装的能力,把它们自己跟自己,或自己跟不同其他的芯片连接在一起,这样就比较好地解决了,一定要在同一工艺上,把这些微缩都做下去的困难。所以这是一种更灵活的分解式的方案。

有了这样一些能力之后,我们就会发现,如果要把不同的芯片连起来,互相之间的连接的协议就是一个问题。比如说之前的USB有一个通用沟通的物理介质接口,但是上面因为跑的协议不一样,来自不同家的IP不一样,其实在它真正流行前的很多年是有互插拔大赛的,要真正保证在物理层级电信号的完整性和速率,然后再让USB真正承担起存储、相机、麦克风等很多的功能。

未来芯粒也是这样,不可能都是来自同一家的,工艺也不一样。虽然我们开始有了UCIe在推动公共物理层的标准,上面还有芯粒层的标准,但标准有了之后,在多家不同的工艺节点上,在物理IP做出来之后,如何去保证它们之间良好的互联互通,这还需要更多的测试,所以这个过程也不是说一蹴而就的。

总而言之,关于推进摩尔定律在未来继续发展,我们知道了有哪些路径可以做,但也确实存在挑战。

第一,需要进一步寻找合适的材料,而且要把它从实验室级别做到量产级别;第二,要有更新的架构出现,让我们能够用更好的晶体管能力的分配去完成任务;第三,要充分地使用2D、3D封装的能力,而且要真正组织大家去把物理层的IP开发好,验证好。我觉得这是至少我们现在知道的可行之道,当然随着时间发展,我们会看到越来越多新的思路。

问:新成立的英特尔中国开源技术委员会,为什么强调是中国的,而不是整个英特尔全球的项目?

李映:为什么我们专门成立英特尔中国开源技术委员会,有一个很关键的词叫“全球战略,中国执行”。所谓中国执行,首先中国开源社区的发展其实在某个角度来讲是领先全球,或者是相比全球趋势是发展更快的。大家看一些数字来讲,无论是开发者,无论是在大家非常熟悉的Linux,包括Kernel方面的中国的开源的贡献,这几年其实是明显在加速过程当中。

以Kernel层面来说,我看到最新的数据是说来自中国的贡献差不多是比第二到第四的总和还要多。包括在国际的开源社区当中,来自中国的贡献也是迅速增长之中。这是第一点,整个开源生态的发展速度来讲,我们在国际上不仅是领先,而且是速度更快的。

第二,中国的开源相对国际开源会有一些自己独特的特点。比如说大家非常熟悉的像openEuler、龙蜥社区,它其实说明了中国很多科技公司不仅把开源作为一个内部创新的源泉,更多是通过开源可以引导整个生态,引导整个社区向前发展。这种其实是跟国际稍微有一些不同的,对于英特尔中国来讲,我们刚刚说是全球战略本地执行。

对我们来讲,如何能够打造这样一个平台,能够满足中国自己的特殊性来向前驱动中国和中国开源社区一起共同努力,这是我们成立英特尔中国开源技术委员会一个很重要的起因。

问:在开源社区这一块,业内对中国开发者可能有一种固有印象,那就是索取和付出是不对等的,可能我们以前索取比较多,付出相对来说较少一些。这几年这种状况有没有一些改变,您怎么看待这些变化?

李映:刚刚的问题是关于中国在开源领域的贡献情况的。

其实稍微扯远一点,有一次我和一个同事聊开源的时候,他跟我说,开源是一件很“奢侈”的事情。为什么说是很“奢侈”的事情?这个“奢侈”不是说要花很多钱、很多人,而是说开源有的时候是需要长期的投入,以及不同维度的构造生态的方法。这里面涉及到两个层面的事情。

第一,你如何能够有足够的时间,让自己的能力慢慢贡献,慢慢成长起来。第二,压力的问题。因为对任何一家初始企业,说我要把很多的研发资源,很多的技术资源投入到短期内看不到有业务指标可以达到的点,这是一个很痛苦的决定或者说很难的选择。所以为什么说开源是一个成长的故事,是一个长期的故事。

如果说我们把这个故事套到中国来讲,就可以很好的回答你的问题。一个是要给中国的开发者,中国的开源社区足够的时间,你如果想说我在某一个方向上,能够马上对某些社区做出贡献,这也是需要积累,需要时间的。

第二个问题,如果说我们看前几年的变化,当你是很多初小公司的时候,你其实看不到开源的业务模式能够真正给业务带来直接的效果,很多公司的投入是需要时间来做准备的。我们看这几年为什么开始慢慢有很多公司愿意在开源投入,是因为看到业务模式和技术投入已经进行匹配,进行吻合了,已经有一些很好的案例。

回到中国的角度,我们可以很欣喜的看到,中国开源的贡献是在追赶。如果说前几年可以说我们只索取不付出,但是放在今天,这个可能是一个有点过时的观察了。以Linux来讲,我们看到整个中国开发者的贡献在大幅度提高。第二,在整个开源社区的推广、运营,你其实去看各个方面的各种活动来讲,投入都是非常巨大的。甚至包括中国的一些公司或者是中国开发者主导的一些项目也越来越多。

比如说我们很多合作公司在容器方面,在可信计算方面,在K8S方面都有很多的项目,当然有一些项目还是处于很早期,还没有办法实现像Linux、K8S、谷歌项目那么大的影响力,但是这是一个成长的故事,假以时日,或者有更多有国际视野的公司,包括英特尔这样的,或者是国内的合作伙伴,我们一起共筑这个社区,我觉得这个时间不会太远,而且以中国的创新活力以及中国整个市场的技术发展速度来讲,我觉得可能再过几年,你问我这个问题的时候,不会说中国索取多于贡献,甚至反过来都有可能。

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责任编辑:吕栋
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