集成電路剛被發(fā)明出來(lái)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)的特征尺寸大概是10μm（10000nm），之后逐步縮小到了5μm、3μm、1μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm，發(fā)展至今，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)7nm+（采用EUV的7nm）的芯片了，明年還將量產(chǎn)5nm的。在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，制程共經(jīng)歷了20幾代變革，未來(lái)幾年，3nm、2nm芯片也將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。從5μm到5nm，實(shí)現(xiàn)了1000倍的變化，大概經(jīng)歷了40多年的時(shí)間。

人的頭發(fā)橫截面直徑大概是80μm，以采用28nm制程工藝的SRAM為例，可以在頭發(fā)的橫截面上放20735個(gè)這個(gè)樣的SRAM單元，隨著微縮技術(shù)的發(fā)展，在直徑為80μm的橫截面上，可以容納越來(lái)越多的SRAM單元了。這主要是由光刻工藝及其技術(shù)演進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。

然而，隨著特征尺寸的不斷微縮，逐漸達(dá)到了半導(dǎo)體制造設(shè)備和制程工藝的極限，眼下，集成電路的晶體管數(shù)量，以及功耗和性能已經(jīng)很難像過(guò)去40年那樣，幾乎一直在順暢地呈現(xiàn)出線性的發(fā)展態(tài)勢(shì)（也就是按照摩爾定律演進(jìn)），而且，不但工藝難度越來(lái)越大，成本也高得嚇人，能夠提供10nm及更先進(jìn)制程工藝芯片制造的廠商只剩下臺(tái)積電、三星和英特爾這三家。

在這三家中，真正引領(lǐng)摩爾定律向前演進(jìn)的還是英特爾和臺(tái)積電這兩強(qiáng)，這兩家公司一直是摩爾定律的支持者，臺(tái)積電更是認(rèn)為，半導(dǎo)體制程工藝可以按照摩爾定律，演進(jìn)到0.1nm。而在這兩強(qiáng)當(dāng)中，臺(tái)積電后來(lái)居上，在最近5年左右的時(shí)間里，在半導(dǎo)體制程工藝上一直壓英特爾一頭，不過(guò)，臺(tái)積電成立于1987年，而英特爾成立于1968年，且摩爾定律就是由英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾（Gordon Moore）于1965年提出來(lái)的。

因此，真正伴隨芯片制造和摩爾定律從誕生，到發(fā)展壯大，再到如今的緩慢前行，就是英特爾了，通過(guò)該公司的芯片發(fā)展歷程，以及制程節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)和晶體管數(shù)量的提升，可以對(duì)半導(dǎo)體工藝和摩爾定律的發(fā)展有一個(gè)直觀和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

從第一款商用處理器到10nm芯片

1965年4月，《電子學(xué)》雜志（Electronics Magazine）第114頁(yè)發(fā)表了戈登·摩爾（時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司工程師）撰寫的文章〈讓集成電路填滿更多的組件〉，文中預(yù)言半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍，這也就是摩爾定律的雛形。

1975年，摩爾在IEEE國(guó)際電子組件大會(huì)上提交了一篇論文，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正，把“每年增加一倍”改為“每?jī)赡暝黾右槐丁保毡榱餍械恼f(shuō)法是“每18個(gè)月增加一倍”。但1997年9月，摩爾在接受一次采訪時(shí)聲明，他從來(lái)沒(méi)有說(shuō)過(guò)“每18個(gè)月增加一倍”。

1968年，也就是摩爾提出摩爾定律最初版本后三年，他與朋友聯(lián)合創(chuàng)立了英特爾公司，該公司最初是以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)存儲(chǔ)器為主，后來(lái)根據(jù)應(yīng)用和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，逐步將業(yè)務(wù)重心轉(zhuǎn)移到了處理器上。

1971年，英特爾發(fā)布了世界第一塊商用微處理器4004，當(dāng)時(shí)采用的是10μm制程工藝，使得該芯片上集成了2250個(gè)晶體管。

1979年，該公司又推出了處理器8086，采用了3μm制程工藝，使得該芯片上集成了29000個(gè)晶體管，較10μm工藝有了10幾倍的提升，這也是摩爾定律演進(jìn)的首次價(jià)值體現(xiàn)。

1982年，英特爾推出了80286，采用1.5μm制程，晶體管數(shù)量達(dá)到了134000個(gè)。

1985年，該公司推出了著名的386系列處理器，將制程工藝節(jié)點(diǎn)提升到了1μm，這使得晶體管數(shù)量又猛增到275000個(gè)，與3μm相比，又提升了近10倍。

1989年，英特爾推出了486系列處理器，采用0.8μm制程，使得晶體管數(shù)量達(dá)到120萬(wàn)個(gè)。

1993年，該公司推出了首款奔騰處理器，采用0.8μm制程，晶體管數(shù)量則提升到了310萬(wàn)個(gè)。

1995年，推出了奔騰Pro，將制程工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)到了0.6μm~0.35μm，從而使得晶體管數(shù)量達(dá)到了550萬(wàn)個(gè)。

2000年，該公司又推出了奔騰4系列處理器，采用了0.18μm制程，晶體管數(shù)量達(dá)到4200萬(wàn)個(gè)。

2006年，推出了酷睿系列處理器，采用了65nm制程，晶體管數(shù)量突破了1億，達(dá)到1.51億個(gè)。

2010年，英特爾又推出了酷睿i7-980x，采用了32nm制程，晶體管數(shù)量突破了10億，達(dá)到11.7億個(gè)。

2015年，推出了酷睿i7-4960x處理器，采用了22nm制程，使得晶體管數(shù)量提升到了18.6億個(gè)。

發(fā)展到最近兩三年，英特爾處理器則以14nm為主要制程。

從2007年開(kāi)始，英特爾在制程方面，進(jìn)入了著名的“Tick-Tock”節(jié)奏，“Tick”代表制程工藝提升，而“Tock”代表工藝不變，芯片核心架構(gòu)升級(jí)。一個(gè)“Tick-Tock”代表完整的芯片發(fā)展周期，耗時(shí)兩年。

按照Tick-tock節(jié)奏，英特爾可以跟上摩爾定律的演進(jìn)，大約每24個(gè)月可以讓晶體管數(shù)量翻一番。2015年，該公司宣布采用“架構(gòu)、制程、優(yōu)化” （APO，Architecture Process Optimization）的三步走戰(zhàn)略。這意味著每36個(gè)月，晶體管數(shù)量才會(huì)翻一番。

自2015年至今，英特爾已在14nm制程節(jié)點(diǎn)處停留約4年時(shí)間，從Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、CoffeeLake（14nm++），一直在更新14nm制程。其10nm原計(jì)劃于2016年推出，但經(jīng)歷了多次推遲，直到今年才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

臺(tái)積電后來(lái)居上

與英特爾類似，臺(tái)積電跟隨摩爾定律的腳步一刻也沒(méi)有停歇，而且，臺(tái)積電憑借晶圓代工業(yè)務(wù)后來(lái)居上，贏得了智能手機(jī)時(shí)代蘋果、高通、華為海思等大客戶。臺(tái)積電于2015下半年量產(chǎn) 16nm FinFET工藝，這與英特爾的14nm量產(chǎn)時(shí)間基本同步。此后4年，英特爾反復(fù)升級(jí)14nm節(jié)點(diǎn)，10nm經(jīng)歷多次跳票。而臺(tái)積電則于2017年量產(chǎn)10nm工藝，并于2018年率先推出7nm工藝，從而在緊跟摩爾定律步伐方面，開(kāi)始領(lǐng)先于英特爾。而英特爾10nm制程一再推遲，后段采用多重四圖案曝光（SAQP）良率較低可能是主要原因。

7nm方面，EUV是未來(lái)更先進(jìn)制程不可或缺的工具，英特爾采用EUV雙重曝光技術(shù)已有提前布局，仍有望按原定計(jì)劃量產(chǎn)，由于英特爾7nm節(jié)點(diǎn)不再面臨SAQP四重曝光技術(shù)難題，而是EUV雙重曝光，有望按原計(jì)劃，于2020年量產(chǎn)。

而從晶體管密度、柵極間距、柵極長(zhǎng)度等指標(biāo)來(lái)看，英特爾的14nm、10nm節(jié)點(diǎn)則要優(yōu)于臺(tái)積電，2014年，英特爾發(fā)布的14nm節(jié)點(diǎn)，每平方毫米3750萬(wàn)個(gè)晶體管，臺(tái)積電16nm節(jié)點(diǎn)約為每平方毫米2900萬(wàn)個(gè)晶體管。英特爾14nm節(jié)點(diǎn)柵極長(zhǎng)度24nm，優(yōu)于臺(tái)積電的33nm。10nm方面，英特爾的晶體管密度為每平方毫米1.008億個(gè)，臺(tái)積電10nm節(jié)點(diǎn)晶體管密度為每平方毫米4810萬(wàn)個(gè)。

目前來(lái)看，臺(tái)積電略占上風(fēng)，未來(lái)發(fā)展，關(guān)鍵要看英特爾10nm量產(chǎn)進(jìn)度。就目前已發(fā)布的技術(shù)信息來(lái)看，英特爾持續(xù)更新的14nm與臺(tái)積電的10nm處于同一量級(jí)，臺(tái)積電已量產(chǎn)的7nm制程顯著優(yōu)于英特爾14nm的。可見(jiàn)，臺(tái)積電在量產(chǎn)時(shí)間上略占上風(fēng)，而實(shí)際技術(shù)儲(chǔ)備差別不大。

結(jié) 語(yǔ)

英特爾與臺(tái)積電是摩爾定律演進(jìn)的主要推動(dòng)力量，而前者開(kāi)創(chuàng)了該定律，并為其發(fā)展打下了基礎(chǔ)，后者則后來(lái)居上，在商業(yè)模式占優(yōu)、且敢于重金投入的情況下，帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但目前來(lái)看，摩爾定律顯然遇到了極大的挑戰(zhàn)，或者說(shuō)進(jìn)入了窘境，作為其堅(jiān)定支持者的英特爾和臺(tái)積電，也正在想著各種辦法延續(xù)這一定律。

來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察