半導體製程技術世代

先進製程台積超越英特爾? 這個誤會可大了! 

今天早上看到某產經大報「XX日報」在頭版頭條大標題報導 “先進製程 台積超越英特爾”，內文寫到TSMC蔣尚義表示，台積電將跳過22nm製程，直接發展20nm製程，預計3Q2012開始導入生產，2013年量產，“進度首度超越半導體龍頭英特爾，讓台積電在先進製程發展拿下全球第一。”

如果我是Intel的人，看到這篇報導可能要吐血了，RRB(Richad's Research Blog)的觀點只有一句話:
“這個誤會可大了!”
雖說是誤會，但是要解釋起來，還真是不太容易，要花費不少唇舌，也難怪記者和主編大人產生誤會了

1. Intel根本無意開發20nm，又怎麼會落後TSMC?

首先要講一個基本的東西，半導體製程技術世代(process technology node)早年都是full-node，後來在foundry和以Graphics廠商為主的Fabless基於成本和競爭因素下，在下一世代製程技術成熟之前(通常要2年以上)，以現有的full-node製程技術為基礎，微縮開發半世代的製程half-node，例如主要full-node世代進展為: 0.18um、0.13um、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm，而0.15um是0.18um的half-node，0.11um是0.13um的half-node，80nm是90nm的half-node，55nm是65nm的half-node，40nm是45nm的half-node，28nm是32nm的half-node，20nm是22nm的half-node……

以往大部分IDM都遵照主要世代製程開發full-node，根本不願(或不屑)開發half-node，因為在製程技術競賽中，開發真正的下一世代製程才是王道，把資源放在修修改改的half-node，反而有損長期競爭力，所以像Intel、以前的AMD、TI、ST Micro等IDM，技術藍圖裏面都是只有full-node沒有half-node，Intel也是如此，CPU產品中Penryn和Nehalem是45nm，Westmere和Sandy Bridge是32nm，到了2011年的Ivy Bridge和2012年的Haswell則是22nm (Intel的microstructore和process technology是交替開發，叫做“Tick-Tock”開發模式，和本次主題無關，不多談)，請注意，這些IDM的製程藍圖中根本沒有40m、28nm和20nm這些half-node，既然很多IDM只開發full-node，所以應該把65/55nm一起比較、45/40nm一起比較，32/28nm一起比較，22/20nm一起比較才合理，否則，Intel根本沒有20nm，TSMC又如何領先呢? Intel沒有28nm製程，難道我們可以說，"TSMC今年領先Intel開發完成28nm技術" 嗎?

2. 若比較22/20nm，Intel有落後TSMC嗎? NO, Intel持續領先

真正要比的，是Intel的22nm進度如何? 有輸給TSMC嗎? 先看45/40nm，45nm已經是Intel快要淘汰的技術了，TSMC的45/40nm才正在放量當中，慢了很久，再看32/28nm，Intel今年以Westmere based的Arrandale(屬於Calpella platform的integrated graphics solution)是一顆two dies chip(兩顆die封裝成一個chip)，其中的graphics die還是用45nm製造，而CPU die則已經進入32nm大量生產，今年底可能量產的Sandy Bridge則更進一步直接把CPU+Graphics做成一個32nm single die，而TSMC的32/28nm在哪裡? 還在RD部門開發當中，還沒有開發完成轉入工廠製造部門，也就是說還沒有放入菜單給客人下訂單，照TSMC公佈的技術發展資訊，TSMC不像上一代45nm先出來，然後40nm再出來，這次RD部門雖然也有開發32nm，但TSMC在2008年就決定將重心放在28nm當成 “A Full Node Process”，其中Gate stack material部分，32nm和28nm-LP(low power)版本用得是既有的SiON，28nm-HP(high performance)才開始使用High-K Metal Gate(HKMG)，至於正式開張量產的時間，TSMC和Qualcomm已經共同宣布今年中(mid-2010)將量產28LP(SiON/Gate First)製程，從產業資訊猜測，28HP(HKMG/Gate Last)製程可能在Late-3Q10量產，而28HPL採用HKMG/Gate Last材料及製程的low power版本最快今年底(Late-2010)才會量產，因此，32/28nm世代，Intel還是遙遙領先TSMC。

再看22/20nm，Intel在去年9月舊金山IDF會場已經公開展示以22nm製造完成SRAM+Logic試驗晶圓，切出來的chip已經可以功能正常運作，Intel並計畫將於2H2011年用22nm量產Ivy Bridge。至於TSMC在新聞稿中說明的20nm導入時間為2H2012，量產時間可能要到2013年，還是晚了Intel一年以上，這還不包括執行力因素，如果要猜誰會落後，誰會準時完成，請各位去參考這兩家公司網站的歷史新聞稿資料庫，比較一下誰的製程開發進度落後計畫時程的機率即可得到答案。

3. TSMC為何要跳過22nm直接做20nm ?

除了新聞稿上的理由之外，這部分RRB(Richard’s Research Blog)純粹猜測，這是一個很自然的商業決定，以前half-node和full-node量產時間相隔動輒1年，但TSMC到了45/45nm則不一樣，40nm只比45nm晚了頂多半年就開發出來，讓大部分客戶的產品直些跳過45nm而採用40nm，40nm訂單遠多於45nm，而32nm更明顯，只把基礎研發做完，根本不商品化，直接將商業量產的世代放在28nm，因此TSMC說28nm是一個full-node(雖然大部分IDM如Intel、STM並沒有28nm製程, Renesas是一個例外)，所以，TSMC在45nm生意並不太多，32nm並沒有商業量產，則跳過22nm這個full-node，將原本被大家定義為half-node的20nm當做主力製程產品，就像28nm一樣，應該不是太意外的事情。這個理由也符合新聞稿說的 「為客戶創造價值」、「必須積極考量投資報酬率」的說法，畢竟，如果花重金開發一個製程例如45nm，結果生意卻不如40nm，或開發一個32nm卻沒量產，到不如直接做完基礎研發之後就直接跳到half node比較實在，至於這個製程要叫做full-node還是half-node，似乎也不是那麼重要了。

後記1: 以上東西有點複雜，錯誤疏漏之處應該不少，有錯請包涵指正。
後記2: 文中有提到Gate First和Gate Last，也是相當重要的議題，重要性可能可以比擬當年0.13um銅製程大戰中，TSMC選擇採用Black Diamond材料，大敗採用Silk的IBM/UMC聯軍的歷史故事，只是這一次，IBM聯軍成員更多了，雖然少了UMC，卻加入了Global Foundry(前AMD的製造部門)、Chartered、Samsung、Freescale、Infineon、ST Micro等Foundry和IDM大廠，IBM聯軍軍容比當年更壯盛，2011年應有好戲可看，當然，對手越多越強，如果這次TSMC再度勝利的話，戰利品恐怕也會很大，我們拭目以待，此議題和上文無關，下次有空再談。