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2020年09月21日 | 科普文章—7nm，5nm到底是半导体的哪些部分
2020-09-21 来源：面包板博主
在我们谈到半导体制造的尖端工艺时，总在说 10nm、7nm，那么所谓的 10nm、7nm 究竟是指的晶体管的哪个部分呢？有人说是晶体管间距，有人说是晶体管栅的长度，事实真的是如此吗？
在我们谈到半导体制造的尖端工艺时，总在说 10nm、7nm，那么所谓的 10nm、7nm 究竟是指的晶体管的哪个部分呢？有人说是晶体管间距，有人说是晶体管栅的长度，事实真的是如此吗？
来自面包板社区的明星博主——欧阳洋葱就这一角度发表了自己的见解。
其实我之前发 7nm 工艺介绍相关的文章的时候，就提到过：我们说 7nm 工艺，那 7nm 这数字究竟还存在毛意义？它大概除了用于表现在市场上某一个工艺节点，数字本身已经没有任何意义了。至少，台积电、三星的 7nm 节点上，晶体管并不存在任何一个物理参数是 7nm 的。那它有什么资格叫 7nm 呢？
原本针对这一点，我也挺想花时间去研究一下的。不过前一阵发现 Linus Tech Tips 对此专门发表了一则视频，我觉得讲的特别清楚。这则视频内容构成，也获得了 Intel 两名工程师的协助。作为一名称职的搬运工，我将此视频的内容做浓缩，有兴趣的还是也可以去看看原视频。
在 1997 年以前，几点几微米，或者几百纳米，那的的确确是指的晶体管上面的 gate 的长度（gate 在大陆叫做栅，在台湾叫做闸，我个人觉得闸是个明显更好的译法），注意是长度（图上标的 Lg，当然了，这已经是 FinFET 结构了，但大致意思不变）。
而在 1997 年以前，工艺数字的步进是以每代是上一代的 0.7 倍为节奏的，因为 0.7x0.7 约等于 0.5，也就是晶体管整体面积相比上一代缩小一倍——就是当年摩尔定律所说，工艺迭代面积小一倍，性能增一倍。当时的工艺在 350nm，也就是 0.35μm。
1997 年以后，gate 长度的缩减速度更快了——至少快于 0.7 倍步进这个节奏，但晶体管的其他部分尺寸却未能按照这么快的速度去减小。所以 gate 长度这个时候对于衡量晶体管尺寸的意义已经没那么大了。后续的工艺节点数字，命名开始逐步用于反映一组晶体管构成的单元尺寸（而且通常是最高密度单元库），即便单元本身的尺寸和这个数字相去甚远。
奔腾 3 处理器的 250nm 即是这种规则下的数字，这个数字本身实际上大约是上一代 350nm 的 0.7 倍。因为这代工艺的性能大约等于上一代的两倍——所以取 0.7 倍这个数字也是十分合理的（假装面积也小一倍）。但 250nm 节点的 gate 长度实则大约为 190nm，而不是 250nm。
2012 年，22nm 节点问世，随即而来的是一种新型的晶体管，也就是 FinFET。这种 3D 结构，要用一个数字来衡量尺寸的难度其实就更大了。但业界仍然在遵循 0.7 倍的命名原则，包括 14nm、10nm。到这一时期，这些数字就几乎不存在任何实际意义了——或者说，其实际意义显然已经不大了。
所以看我之前写的 7nm 工艺的文章中，你就会发现，现在的晶体管，并不存在任何一个组成部分的长宽高是 7nm。
而实际上，如果我们要追求晶体管上某部分参数的最小值，恐怕可以看一看 fin 宽度。比如 Intel 的 10nm 工艺，晶体管的 fin 宽度为 7nm——恐怕是整个晶体管上，与 10nm 这个名义上的值最接近的部分了。而其他组成部分的差距就比较大了，比如说相邻 fin 间距是 34nm，gate 长度是 18nm，gate 间距是 36nm 等等。
不同芯片制造商，针对这个数字节点的态度是不一样的。所以台积电、Intel 之间的这个节点数字就不能直接比较，这个想必很多同学是知道的。比如我们一般认为 Intel 的 10nm 与台积电的 7nm 属于同代工艺；而三星规划中的 4nm 工艺，在晶体管密度上实则可能还比不上 Intel 的 7nm。
现在应该考虑一些更重要的参数，包括晶体管密度，以及材料方面的提升用以加强性能，还有结构上的提升，让电子通过地更快。这些其实在节点数字上不会表达出来，典型如 high-k metal gate、FinFET 结构本身之类的。
所以别再说出，14nm 是 7nm 两倍（或者面积是 4 倍）这种话了。
[1] 原视频：Should You Believe CPU Marketing? - Linus Tech Tips
[2] 更多参考：Intel's 10nm Cannon Lake and Core i3-8121U Deep Dive Review - AnandTech
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