近日，《烏合麒麟撤回道歉，稱3D堆疊就是芯片優(yōu)化技術(shù)》事件在網(wǎng)上引起爭(zhēng)論，今天ASPENCORE記者歐陽(yáng)洋蔥同學(xué)進(jìn)一步對(duì)“ 14nm + 14nm 達(dá)成‘比肩’7nm 性能的問(wèn)題”展開了專業(yè)的分析。

原文如下：

說(shuō)點(diǎn)題外話，大家就當(dāng)看個(gè)熱鬧吧，既然說(shuō)舊工藝的“疊加”，那咱就聊聊疊加嘛。

首先還是強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，現(xiàn)在所謂的幾 nm 工藝，這個(gè)幾 nm 的數(shù)字并不是指晶體管的 gate length（或溝道長(zhǎng)度）——很多人對(duì)此是存在誤解的。比如臺(tái)積電的 7nm 工藝，晶體管并不存在任何一個(gè)物理參數(shù)是 7nm。7nm 只是一個(gè)代號(hào)，你也可以叫它 α nm。14nm、7nm 這樣的稱謂是歷史原因造成的，對(duì)此有興趣的可以看我的文章：為什么說(shuō)Intel 10nm工藝比別家7nm先進(jìn)？（上）

有關(guān) 14nm + 14nm 達(dá)成“比肩”7nm 性能的問(wèn)題，稍帶腦洞地說(shuō)兩點(diǎn)，也算是無(wú)聊閑扯吧。

第一是光刻技術(shù)的“疊加”。把光刻比做是一把雕刻刀，用現(xiàn)在的“光刻刀”，只下刀一次的話，其實(shí)是無(wú)法“雕刻”出你期望的晶體管大小的（包括 EUV），而需要下好幾次刀。雖然這個(gè)“疊加”和某媒體所說(shuō)的 14nm + 14nm 并不是同一回事，但反正 14nm 也不是真的 14nm（前面說(shuō)了，這個(gè)數(shù)字沒意義），所以開個(gè)腦洞也沒什么。

比如說(shuō)三星的 8nm（8LPP）工藝，這種工藝下金屬堆棧部分的最小金屬間距是 44nm。我們知道 8nm 工藝，在光刻這道工序上還沒有應(yīng)用 EUV 極紫外光，仍然是 DUV 深紫外光，ArF（argon fluoride）光源本身的波長(zhǎng)是 193nm。

這把“光刻刀”不夠銳啊，咋辦呢？要克服衍射效應(yīng)，“雕刻”更小的圖案，業(yè)界其實(shí)是引入了多種技術(shù)的，包括“疊加”的雙重曝光、四重曝光（quad patterning）之類的；也就是既然一次刻不出那么高的精度，那就多刻幾次（當(dāng)然還需要配合周邊的很多技術(shù)）。

三星應(yīng)用的是一種叫 LELE 的技術(shù)，也是 DUV 多重曝光的一種技術(shù)方向。其過(guò)程是這樣的（以下資料來(lái)自 Wikichip，圖片也來(lái)自 Wikichip，我只是搬運(yùn)工；我之前被 Wikichip 警告過(guò)一次，所以這里大家多點(diǎn)鏈接去看看原文吧。。。）：

首先呢就是像上圖這樣，要有襯底、圖案層（device layer）、硬掩膜（hardmask）。假定我們的目標(biāo)是 64nm 的金屬互聯(lián)間距，那么 LELE 的步驟大致是下面這張圖這樣的：

這個(gè)步驟的大致過(guò)程就是光刻膠（photoresist）在 mask 覆蓋下曝光，形成需要的圖案。

第一步，上方有個(gè)掩膜圖案，在光源照射下，能做出 128nm 的間距（左上圖：Litho 1）。第二步，將圖案通過(guò)第一次蝕刻轉(zhuǎn)到硬掩膜之上——?dú)埩舻挠惭谀?huì)作為后續(xù)步驟的掩膜存在。

第三步，用另一組掩膜圖案和光刻膠，重復(fù)該過(guò)程，仍采用相同的 128nm 圖案間距進(jìn)行光刻。最后，再用硬掩膜和光刻膠作為蝕刻掩膜，二次蝕刻后就在下面的圖案層形成了所需的圖案。

由于兩次 litho-etch（光刻-蝕刻）操作，就形成了 64nm 的互聯(lián)間距。

不需要去深入研究這個(gè)過(guò)程，反正知道是通過(guò)了兩次差不多的操作才達(dá)成了 64nm 間距的。其實(shí)三星在 8nm 節(jié)點(diǎn)上用了 LELELELE，也就是四次上述的 LE 操作。說(shuō)人話就是要刻最多 4 次，才能刻出所需的精度。

當(dāng)然了，這個(gè)過(guò)程難度頗大，需要克服的工程難點(diǎn)也很多；而且步驟越多，成本也會(huì)越高；所以才需要用更銳的“光刻刀”嘛，比如 EUV 就比 DUV 更“銳”，也就不需要刻這么多次。但像 LELE 這樣的操作，是不是可簡(jiǎn)單認(rèn)為是某種舊工藝方案的“疊加”呢？（衰。。。說(shuō)得過(guò)去吧。。。

第二點(diǎn)是針對(duì)這個(gè)話題，現(xiàn)在數(shù)碼圈討論比較多的 die 的 3D 堆疊。其實(shí)當(dāng)時(shí)某媒體（微博）原文說(shuō)法是“雙芯疊加”，“特定的芯片設(shè)計(jì)方法”。人家也沒說(shuō)是垂直堆疊嘛（雖然感覺“疊”好像直覺上勢(shì)必得垂直方向了；不管了），

更沒說(shuō)雙芯必須同等 die size 或同等微架構(gòu)的比較。而且原文提到了“將疊加性能提升至比肩 7nm 芯片的程度，并且功耗發(fā)熱也很不錯(cuò)”。性能、功耗、成本分開來(lái)談，還是很好的說(shuō)法。

14nm 芯片只要堆料充分，性能超越 7nm 芯片不成問(wèn)題啊。比如 Rocket Lake 的 8 核 Intel 酷睿處理器（i9-11900K）性能，肯定比高通驍龍 865 性能強(qiáng)吧。前者是 Intel 14nm，后者是臺(tái)積電 7nm。這倆就不是一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)定位，連 14nm 和 7nm 這倆名字對(duì)比的維度都不同（或者也可以比 7nm 的 Ryzen 5 5600U。。。）。

何況現(xiàn)在很多超算芯片也沒用尖端工藝，難道性能還比不上 5nm 手機(jī) SoC 了？這真的在于你堆了多少料，雖然達(dá)成同等性能，越早的工藝要付出的成本和功耗會(huì)顯著增加。（當(dāng)然工藝代差不能太大，否則會(huì)涉及到一些更現(xiàn)實(shí)的工程問(wèn)題）

這種對(duì)比只在于性能堆料，純比性能（Performance），根本就沒意義；又沒比效率、功耗（Power）和成本（Area）。原文只說(shuō)“功耗發(fā)熱也很不錯(cuò)”。。。“不錯(cuò)”多含糊。。。是不是。。。

至于 3D 垂直堆疊，不管是 Intel Fevoros，還是臺(tái)積電 CoWoS，芯片 die 堆起來(lái)應(yīng)該可以吧。不過(guò)應(yīng)該不是 compute die 直接疊，而且我估計(jì)如果兩層 14nm 要達(dá)成同代設(shè)計(jì) 7nm 芯片的性能，可能散熱會(huì)成問(wèn)題。所以還是不要垂直堆起來(lái)吧，就 die size 做大點(diǎn)，或者多 die 以 side-by-side 的方式封裝就好了。。。

前一陣 AMD 推的 3D V-cache，前不久才寫了篇文章，這篇文章也總結(jié)了臺(tái)積電目前的 3DFabric 封裝工藝：把CPU三級(jí)緩存堆到192MB，AMD與臺(tái)積電的合謀以上算純開玩笑。。。

畢竟原文的說(shuō)法就相當(dāng)模糊，我們模糊點(diǎn)理解，也沒什么問(wèn)題吧。。。況且海思是做 IC 設(shè)計(jì)的，就算要做垂直堆疊，也必須與 foundry 廠合作才行，不是自己在家就搞一搞，然后就強(qiáng)于世界的。總體上就是扯。。。

補(bǔ)充：聲明一下，可能很多人沒搞清楚我想表達(dá)的東西，我的這篇回答只是個(gè)用于課外閱讀的科普；本回答提到了如果要說(shuō)“疊加”的話，在制造和封裝層面，哪里可以體現(xiàn)出“疊加”這個(gè)詞。

我并不贊同“雙芯疊加”就能讓 14nm“比肩”7nm，主要是效率方面。但用 14nm 造性能高于 7nm 工藝的芯片真的不是什么難事，只是功耗發(fā)熱不對(duì)等罷了。而且本回答的第一部分提到光刻的多重曝光，DUV “光刻刀”并不是 14nm 的專屬，EUV 也不是 7nm 的專屬。DUV 一樣可以造 7nm/10nm。。。

擴(kuò)展：

有關(guān)于舊工藝需要多大面積來(lái)實(shí)現(xiàn)新工藝的同等設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)有興趣的同學(xué)可以去看看 Intel 今年桌面酷睿處理器的 Cypress Cove 核心。

Cypress Cove 就是個(gè) 14nm 工藝的核心，不過(guò)其設(shè)計(jì)是來(lái)自于 10nm 的 Sunny Cove（陽(yáng)光海灣）。或者說(shuō) Cypress Cove 實(shí)際上是 Sunny Cove 向前移植（backport）的核心。當(dāng)代不同制造工藝的移植，所需做的工作其實(shí)會(huì)比較繁瑣，包括因?yàn)楦蟮木w管和間距，布線之類的都可能在性能上表現(xiàn)出差別。

其實(shí)那些關(guān)心舊工藝做個(gè) 2x 面積的 die，能不能達(dá)成新工藝 1x 的 die 的，可以去研究下 Cypress Cove 和 Sunny Cove 的面積差異。我沒仔細(xì)去查過(guò)，但估計(jì)應(yīng)該可以查到（雖然可能某些報(bào)告估計(jì)要收費(fèi)）。。。。。。

貌似 Arm 平臺(tái)也有類似的例子吧。。。。。。

網(wǎng)友評(píng)論：終于有人聊些干貨了！

@HelltoHell：終于有干貨了，原文的說(shuō)法很雞賊，很廢話，主要也是以誤導(dǎo)人為目的的。但人那種說(shuō)法還真……沒什么錯(cuò)誤……

@jusdejude ：這篇回答解釋的清楚！看完總算對(duì)這事兒有點(diǎn)概念了。這么說(shuō)來(lái)，華為微博原文沒毛病啊，人轉(zhuǎn)發(fā)就更沒毛病了啊，那這些數(shù)碼專家揪著人家畫手咬文嚼字到底是他們自己也沒搞懂呢，還是借題發(fā)揮輸出怨氣呢？

還一堆在那洗比喻貼切的，兩杯50度水加一起不等于100度，這類比哪里貼切了？不應(yīng)該是，兩杯燙水加一起實(shí)現(xiàn)了另一杯燙水同樣的暖身體的功效嘛？

@Lee昂昨天：終于有人聊些干貨了，謝謝你

@負(fù)離子3 ：因?yàn)?nm線路已經(jīng)足夠接近理論上限，本身就需要額外的設(shè)計(jì)來(lái)保障正常工作，使用更大面積的14nm線路來(lái)頂一樣性能的邏輯門數(shù)量，其實(shí)也沒有需要簡(jiǎn)單計(jì)算的四倍面積之多，兩倍都差不多性能了。

二來(lái)你以為這是堆料，沒堆，兩邊計(jì)算單元數(shù)量差不多。我們老說(shuō)新CPU比舊CPU更強(qiáng)，是指在同樣的指甲蓋上填了更多的電路。這邊的事不一樣，這邊是用兩個(gè)指甲蓋放原來(lái)一個(gè)指甲蓋的東西。

三來(lái)就是功耗問(wèn)題，的確理論上會(huì)略大，但也就是略大而已，還是因?yàn)?nm這東西太接近理論上限了，額外的東西太多。現(xiàn)在的情況是工藝不成熟，設(shè)計(jì)不合理等原因才是大頭，不是原理。

四是理論上沒有亞空間突破的話，這個(gè)疊疊樂就是未來(lái)，你一層園林再精巧還是比不過(guò)高樓大廈。我們需要的是裝入更多計(jì)算單元，為了這個(gè)我們還發(fā)展了更強(qiáng)的電力生產(chǎn)更強(qiáng)的散熱工具，所有一切條件都是為了這個(gè)核心服務(wù)的。

編輯：jq