前年10月，我在知乎回答了一個(gè)問(wèn)題“如果Intel用14nm做出的CPU宣稱(chēng)是10nm的工藝，會(huì)有人發(fā)現(xiàn)嗎？”當(dāng)時(shí)覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題有趣，就試答了一下。我們認(rèn)為，這么做大概率不行；從研究機(jī)構(gòu)、用戶(hù)和foundry/fab廠(chǎng)自身三個(gè)角度，都很難把這件事情圓過(guò)去。hfQesmc

不過(guò)今年8月初，TechInsights在Blog上發(fā)了這樣一篇文章，談臺(tái)積電和三星這兩家foundry廠(chǎng)在4nm工藝上“造假”的事實(shí)。主要是基于TechInsight對(duì)于4nm工藝的剖析和拆解，認(rèn)為臺(tái)積電和三星所謂的4nm，和5nm工藝基本沒(méi)有區(qū)別，卻和客戶(hù)一起對(duì)外宣稱(chēng)用上了4nm工藝...hfQesmc

這件事在我們看來(lái)似乎有其合理性，又相當(dāng)荒誕。不過(guò)此事也某種程度表現(xiàn)出，尖端制造工藝再不似往日那般迭代神速，連半代工藝更新（或BKM更新）都如此緩步。前幾天“手機(jī)晶片達(dá)人”在微博發(fā)布消息甚至提到“TSMC內(nèi)部決定放棄N3工藝，因?yàn)榭蛻?hù)都不用，轉(zhuǎn)2023下半年量產(chǎn)降本的N3E工藝；N3成本高，design的window又很critical；連Apple都放棄N3工藝。”hfQesmc

且不論信息可靠性如何，聯(lián)合TechInsights所說(shuō)“假的”4nm一事，都可知尖端工藝領(lǐng)域，技術(shù)推進(jìn)有多不易。要知道此前我們多番報(bào)道過(guò)3nm工藝已經(jīng)延后了半年。如果初代N3節(jié)點(diǎn)真的被放棄，那么臺(tái)積電這邊的3nm工藝大規(guī)模量產(chǎn)實(shí)際的延后時(shí)間就將近1年了；Intel直呼內(nèi)行。hfQesmc

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4nm“造假”是怎么回事

TechInsights在博文中提到，首款采用臺(tái)積電N4工藝的芯片是聯(lián)發(fā)科天璣9000；而TechInsights對(duì)這款手機(jī)芯片做了分析，發(fā)現(xiàn)“關(guān)鍵工藝尺寸和臺(tái)積電更早的N5產(chǎn)品完全一致”，所以“臺(tái)積電宣稱(chēng)的4nm產(chǎn)品是假的（sham），也包括聯(lián)發(fā)科宣稱(chēng)其為4nm處理器”。hfQesmc

三星這邊的情況則更窘：三星自家的Exynos 2200芯片采用4nm工藝，高通驍龍8 Gen 1也采用三星4nm工藝。但TechInsights認(rèn)為，驍龍8 Gen 1用的分明就是5nm工藝。“為了避免用戶(hù)選擇競(jìng)品（lusting for one processor over the other），這兩家公司決定將驍龍8 Gen 1作為4nm工藝來(lái)發(fā)布”。hfQesmc

此前似乎有消息說(shuō)驍龍8 Gen 1采用的乃是一種名為4LPX的工藝——而不是三星公開(kāi)宣傳中的4LPE。TechInsights認(rèn)為4LPX在物理尺寸上（physically）和5LPE是沒(méi)有區(qū)別的，所以三星也撒了謊。hfQesmc

但這其中還有個(gè)細(xì)節(jié)，就是三星Exynos 2200還真的應(yīng)用了4LPE工藝——這算是名副其實(shí)的4nm工藝了吧。只是悲慘的是Exynos 2200作為當(dāng)代唯一“真正的”4nm芯片，在良率、能效等各方面的表現(xiàn)上都頗為糟糕，“尤其是其全新的圖形引擎”——這一點(diǎn)我們?cè)诖饲暗?strong>分析文章里也談過(guò)。三星4LPE實(shí)則比不上臺(tái)積電N5。hfQesmc

TechInsights表示，預(yù)計(jì)真正的臺(tái)積電4nm將出現(xiàn)于今年9月將陸續(xù)上市的高通驍龍8+ Gen 1，以及蘋(píng)果A16，即N4P工藝。hfQesmc

至于這兩家foundry廠(chǎng)為什么要這么做，TechInsights在博文中說(shuō)，三星和臺(tái)積電一直在工藝技術(shù)上賽跑；尤其是三星，雖然在工藝技術(shù)上略遜于臺(tái)積電，卻一直期望實(shí)現(xiàn)趕超。此前三星說(shuō)要在2021年推4nm工藝——也就是比5nm問(wèn)世時(shí)間大約晚一年。臺(tái)積電原計(jì)劃是要在5nm上市的2年以后再上4nm的，但聽(tīng)到三星這么一說(shuō)，就決定把N4節(jié)點(diǎn)的時(shí)間“提前（pull in）”2個(gè)季度。hfQesmc

但我們知道，尖端制造工藝可不是市場(chǎng)決定提前2個(gè)季度，技術(shù)就能立馬跟上的，所以才有了這樣一幕奇特的局面。hfQesmc

工藝節(jié)點(diǎn)的命名問(wèn)題

因?yàn)門(mén)echInsights針對(duì)驍龍8 Gen 1、天璣9000的剖析報(bào)告售價(jià)都非常高，我們一時(shí)半會(huì)兒也看不到針對(duì)臺(tái)積電和三星“假”的4nm工藝的分析結(jié)果。不過(guò)實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題就又回到了工藝節(jié)點(diǎn)的命名問(wèn)題上。hfQesmc

有關(guān)尖端工藝節(jié)點(diǎn)的命名問(wèn)題，我們此前也特別撰文談過(guò)?？偨Y(jié)一句話(huà)就是：當(dāng)代的尖端制造工藝，“nm”前面的這個(gè)數(shù)字本質(zhì)上并不代表任何實(shí)際的晶體管或器件物理尺寸。從250nm節(jié)點(diǎn)以后，幾納米數(shù)字就不再指代常規(guī)意義上的柵極長(zhǎng)度（gate length），而只有技術(shù)迭代的象征意義。hfQesmc

那么行業(yè)里有沒(méi)有一個(gè)規(guī)范，來(lái)要求不同foundry廠(chǎng)統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)迭代后的命名稱(chēng)謂呢？還真的就沒(méi)有。所以理論上，foundry廠(chǎng)想把自家新工藝叫任何名字都可以——當(dāng)然這其中還存在行業(yè)、道德、競(jìng)品的各種客觀(guān)約束，但這就不是技術(shù)層面要討論的重點(diǎn)了。hfQesmc

所以我們此前曾花大篇幅去細(xì)談過(guò)，臺(tái)積電和三星的5nm雖然都叫5nm，但它們技術(shù)層面的差別還是比較大的；而且這兩家foundry廠(chǎng)的5nm在其各自技術(shù)更新路線(xiàn)圖上所處的位置還大相徑庭。hfQesmc

從這個(gè)層面來(lái)看，foundry廠(chǎng)給自家技術(shù)節(jié)點(diǎn)起什么名字，那都是人家的自由。連Intel都能給已經(jīng)量產(chǎn)的工藝節(jié)點(diǎn)改名，臺(tái)積電和三星為什么就不行呢？（雖然Intel節(jié)點(diǎn)的改名，也是對(duì)臺(tái)積電和三星感到萬(wàn)般無(wú)奈的結(jié)果）“我說(shuō)它是4nm，那就是4nm，你管得著嗎”這類(lèi)表達(dá)...hfQesmc

有關(guān)工藝命名，還有另一個(gè)常見(jiàn)（但也并不成文的）規(guī)則。由于半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)進(jìn)步比以前慢了很多，所以foundry廠(chǎng)和芯片設(shè)計(jì)廠(chǎng)商才會(huì)大力宣傳同代節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)（如N5→N5P/N4），因?yàn)楣に囃暾?jí)（如N5→N3）中間間隔時(shí)間相比從前久了很多。在22nm節(jié)點(diǎn)以前，foundry廠(chǎng)幾乎是不大宣傳這樣的小幅工藝改進(jìn)的。hfQesmc

N4就屬于N5→N3的過(guò)渡工藝節(jié)點(diǎn)。它遠(yuǎn)遠(yuǎn)說(shuō)不上是N5和N3之間的中間態(tài)，明確應(yīng)為N5的改良工藝，而與N3相去甚遠(yuǎn)。通過(guò)觀(guān)察同代工藝演進(jìn)，還不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)事實(shí)：一般同代工藝內(nèi)的器件尺寸（晶體管）間距不會(huì)發(fā)生變化，而僅在標(biāo)準(zhǔn)單元、部分工藝流程、材料方面會(huì)有改進(jìn)。hfQesmc

所以一般同代工藝演進(jìn)很難帶來(lái)大幅度的晶體管密度提升，以及性能、功耗方面的顯著革新。不過(guò)我們依然會(huì)發(fā)現(xiàn)，比如臺(tái)積電說(shuō)N4相比于N5能夠?qū)崿F(xiàn)6%的die面積縮減。這種芯片面積小幅縮減，或晶體管密度小幅提升，主要是由單元（cell）結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的，而不是晶體管層面的尺寸縮減。hfQesmc

當(dāng)然，基于當(dāng)前半導(dǎo)體制造尖端技術(shù)難度和成本陡增，這種工藝改良也不簡(jiǎn)單。改良版工藝有時(shí)還能實(shí)現(xiàn)降本增效；對(duì)于foundry廠(chǎng)而言，還能成為其下一代完整節(jié)點(diǎn)更新的技術(shù)積累；也是兩代完整工藝節(jié)點(diǎn)之間的緩沖，不僅是技術(shù)的緩沖，更是市場(chǎng)的緩沖。hfQesmc

基于同代工藝演進(jìn)這種規(guī)則，器件層面沒(méi)有尺寸縮減實(shí)屬正常；行業(yè)甚至存在Intel這種，為進(jìn)一步提升性能，同代工藝演進(jìn)（+++）平均“晶體管密度”變低的狀況。hfQesmc

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那么4nm造假了嗎？

不過(guò)同代工藝技術(shù)演進(jìn)，也存在晶體管密度大幅攀升的情況。比如說(shuō)三星5LPE工藝，它在三星路線(xiàn)圖上并不屬于7LPP的完整迭代，而是7LPP同代工藝演進(jìn)（這也是三星5nm與臺(tái)積電5nm定位差異的一個(gè)體現(xiàn)）。5LPE在器件尺寸方面相比7LPP幾乎沒(méi)有變化，但仍然實(shí)現(xiàn)了“晶體管密度”的大幅攀升；這主要是通過(guò)引入新型的UHD單元庫(kù)達(dá)成的。hfQesmc

而三星4LPE工藝，起碼在三星路線(xiàn)圖上看來(lái)，是7LPP以后的一次完整迭代（雖然其性能、功耗方面的改進(jìn)幅度相比5LPE相當(dāng)?。?。這令三星4LPE扮演的角色與臺(tái)積電N4又很不一樣。如果拋開(kāi)“幾納米”主流話(huà)語(yǔ)權(quán)在臺(tái)積電手上這件事，4LPE在三星foundry內(nèi)部的地位應(yīng)當(dāng)也是很重要的，因?yàn)閮杉襢oundry廠(chǎng)的技術(shù)演進(jìn)節(jié)奏是不一樣的。hfQesmc

基于5LPE僅為7LPP的同代工藝改良，4LPE才是7LPP的完整迭代；而N5是N7的完整迭代，N4僅為N5的同代工藝改良——理論上市場(chǎng)就不應(yīng)該期待4LPE和N4同時(shí)到來(lái)。這也更好理解為什么在原計(jì)劃的路線(xiàn)圖里，臺(tái)積電N4當(dāng)晚于三星4LPE到來(lái)。不過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)似乎不大理這一套，如文首提及TechInsights的猜測(cè)那般。hfQesmc

4LPE在Exynos 2200之上的如約而至因此就很好解釋了。只不過(guò)三星在4LPE節(jié)點(diǎn)上表現(xiàn)仍然拉垮。《三星面臨的大麻煩，又豈止是3nm工藝落后》一文就提到了高通并沒(méi)有選擇4LPE工藝，而是一種名為4LPX的5nm改良款工藝，密度稍遜于4LPE——這則消息同樣來(lái)自TechInsights。hfQesmc

TechInsights在對(duì)驍龍8 Gen 1的拆解中發(fā)現(xiàn)，4LPX工藝中很難找到4nm特性（hardly found '4nm' features）。SemiAnalysis此前撰文稱(chēng)，三星foundry近兩代工藝的parametric yield良率糟糕，且從Exynos 2200的表現(xiàn)來(lái)推測(cè)，高通最終沒(méi)有選擇4LPE是在情理之中的。hfQesmc

至于特供的“4LPX”究竟是不是原版5LPE，那就只有三星和高通知道了。這里涉及到一個(gè)問(wèn)題，就是既然“4nm”不存在一個(gè)基準(zhǔn)，那么怎么理解4LPX和N4是不是4nm的問(wèn)題呢？我們認(rèn)為，這主要取決于foundry廠(chǎng)做出來(lái)的成品是否與其前期宣傳中提到的參數(shù)提升一致。如果一致，就可以認(rèn)為該技術(shù)是4nm；如果打了折扣則可認(rèn)為存在“造假”的可能性。hfQesmc

只是一方面我們也不清楚TechInsights針對(duì)工藝研究達(dá)到怎樣的深度。原本如果只是器件和單元層面的尺寸測(cè)量測(cè)試，還是很難反映工藝是否有改良或迭代。不過(guò)三星自己的路線(xiàn)圖都明確了4nm是一次器件尺寸縮減的完整工藝升級(jí)，所以4LPX的存在的確有些說(shuō)不過(guò)去。所以4LPX更像是個(gè)市場(chǎng)動(dòng)作。hfQesmc

至于臺(tái)積電，N4不做尺寸縮減說(shuō)不說(shuō)得過(guò)去？那就有更大的商榷余地了。畢竟N4真的就只是N5的改良款。只不過(guò)從TechInsights的措辭來(lái)看，天璣9000的N4大約也未能達(dá)成此前臺(tái)積電宣傳中的die面積縮減。加上臺(tái)積電“提前”N4工藝亮相時(shí)間，大概率是為了趕上三星4LPE發(fā)布時(shí)間點(diǎn)，其相比于N5改良的多少也的確值得懷疑。hfQesmc

N4是否是“真正”的4nm這個(gè)問(wèn)題原本是沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案的。但很快N4P的問(wèn)世，將有助于我們了解N4究竟是臺(tái)積電4nm的如約而至，還是臺(tái)積電的一次市場(chǎng)動(dòng)作。有趣的是，英偉達(dá)在今年的GTC Spring上提到自家新款GPU將基于臺(tái)積電4N工藝——據(jù)說(shuō)是臺(tái)積電為英偉達(dá)定制的4nm工藝，那么對(duì)所謂“4N”工藝的分析大概又會(huì)很有趣。hfQesmc

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隨著半導(dǎo)體尖端制造工藝技術(shù)成本的持續(xù)躍升，foundry廠(chǎng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要方向就是持續(xù)吞噬對(duì)手的市場(chǎng)，否則只能被迫降低投入、減緩技術(shù)迭代速度，并在競(jìng)爭(zhēng)中失去優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槌杀驹鏊僖呀?jīng)快于行業(yè)本身的增速。未來(lái)尖端制造工藝或許還會(huì)面臨更大的不確定性，尤其是當(dāng)器件結(jié)構(gòu)步入GAAFET之后，而4nm節(jié)點(diǎn)的這一市場(chǎng)現(xiàn)狀不過(guò)是個(gè)前菜罷了。hfQesmc