聊聊台积电与三星的4nm工艺“造假”事件

前年10月，我在知乎回答了一个问题“如果Intel用14nm做出的CPU宣称是10nm的工艺，会有人发现吗？”当时觉得这个问题有趣，就试答了一下。我们认为，这么做大概率不行；从研究机构、用户和foundry/fab厂自身三个角度，都很难把这件事情圆过去。Prwesmc

不过今年8月初，TechInsights在Blog上发了这样一篇文章，谈台积电和三星这两家foundry厂在4nm工艺上“造假”的事实。主要是基于TechInsight对于4nm工艺的剖析和拆解，认为台积电和三星所谓的4nm，和5nm工艺基本没有区别，却和客户一起对外宣称用上了4nm工艺...Prwesmc

这件事在我们看来似乎有其合理性，又相当荒诞。不过此事也某种程度表现出，尖端制造工艺再不似往日那般迭代神速，连半代工艺更新（或BKM更新）都如此缓步。前几天“手机晶片达人”在微博发布消息甚至提到“TSMC内部决定放弃N3工艺，因为客户都不用，转2023下半年量产降本的N3E工艺；N3成本高，design的window又很critical；连Apple都放弃N3工艺。”Prwesmc

且不论信息可靠性如何，联合TechInsights所说“假的”4nm一事，都可知尖端工艺领域，技术推进有多不易。要知道此前我们多番报道过3nm工艺已经延后了半年。如果初代N3节点真的被放弃，那么台积电这边的3nm工艺大规模量产实际的延后时间就将近1年了；Intel直呼内行。Prwesmc

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4nm“造假”是怎么回事

TechInsights在博文中提到，首款采用台积电N4工艺的芯片是联发科天玑9000；而TechInsights对这款手机芯片做了分析，发现“关键工艺尺寸和台积电更早的N5产品完全一致”，所以“台积电宣称的4nm产品是假的（sham），也包括联发科宣称其为4nm处理器”。Prwesmc

三星这边的情况则更窘：三星自家的Exynos 2200芯片采用4nm工艺，高通骁龙8 Gen 1也采用三星4nm工艺。但TechInsights认为，骁龙8 Gen 1用的分明就是5nm工艺。“为了避免用户选择竞品（lusting for one processor over the other），这两家公司决定将骁龙8 Gen 1作为4nm工艺来发布”。Prwesmc

此前似乎有消息说骁龙8 Gen 1采用的乃是一种名为4LPX的工艺——而不是三星公开宣传中的4LPE。TechInsights认为4LPX在物理尺寸上（physically）和5LPE是没有区别的，所以三星也撒了谎。Prwesmc

但这其中还有个细节，就是三星Exynos 2200还真的应用了4LPE工艺——这算是名副其实的4nm工艺了吧。只是悲惨的是Exynos 2200作为当代唯一“真正的”4nm芯片，在良率、能效等各方面的表现上都颇为糟糕，“尤其是其全新的图形引擎”——这一点我们在此前的分析文章里也谈过。三星4LPE实则比不上台积电N5。Prwesmc

TechInsights表示，预计真正的台积电4nm将出现于今年9月将陆续上市的高通骁龙8+ Gen 1，以及苹果A16，即N4P工艺。Prwesmc

至于这两家foundry厂为什么要这么做，TechInsights在博文中说，三星和台积电一直在工艺技术上赛跑；尤其是三星，虽然在工艺技术上略逊于台积电，却一直期望实现赶超。此前三星说要在2021年推4nm工艺——也就是比5nm问世时间大约晚一年。台积电原计划是要在5nm上市的2年以后再上4nm的，但听到三星这么一说，就决定把N4节点的时间“提前（pull in）”2个季度。Prwesmc

但我们知道，尖端制造工艺可不是市场决定提前2个季度，技术就能立马跟上的，所以才有了这样一幕奇特的局面。Prwesmc

工艺节点的命名问题

因为TechInsights针对骁龙8 Gen 1、天玑9000的剖析报告售价都非常高，我们一时半会儿也看不到针对台积电和三星“假”的4nm工艺的分析结果。不过实际上，这个问题就又回到了工艺节点的命名问题上。Prwesmc

有关尖端工艺节点的命名问题，我们此前也特别撰文谈过。总结一句话就是：当代的尖端制造工艺，“nm”前面的这个数字本质上并不代表任何实际的晶体管或器件物理尺寸。从250nm节点以后，几纳米数字就不再指代常规意义上的栅极长度（gate length），而只有技术迭代的象征意义。Prwesmc

那么行业里有没有一个规范，来要求不同foundry厂统一节点迭代后的命名称谓呢？还真的就没有。所以理论上，foundry厂想把自家新工艺叫任何名字都可以——当然这其中还存在行业、道德、竞品的各种客观约束，但这就不是技术层面要讨论的重点了。Prwesmc

所以我们此前曾花大篇幅去细谈过，台积电和三星的5nm虽然都叫5nm，但它们技术层面的差别还是比较大的；而且这两家foundry厂的5nm在其各自技术更新路线图上所处的位置还大相径庭。Prwesmc

从这个层面来看，foundry厂给自家技术节点起什么名字，那都是人家的自由。连Intel都能给已经量产的工艺节点改名，台积电和三星为什么就不行呢？（虽然Intel节点的改名，也是对台积电和三星感到万般无奈的结果）“我说它是4nm，那就是4nm，你管得着吗”这类表达...Prwesmc

有关工艺命名，还有另一个常见（但也并不成文的）规则。由于半导体制造工艺技术进步比以前慢了很多，所以foundry厂和芯片设计厂商才会大力宣传同代节点的演进（如N5→N5P/N4），因为工艺完整升级（如N5→N3）中间间隔时间相比从前久了很多。在22nm节点以前，foundry厂几乎是不大宣传这样的小幅工艺改进的。Prwesmc

N4就属于N5→N3的过渡工艺节点。它远远说不上是N5和N3之间的中间态，明确应为N5的改良工艺，而与N3相去甚远。通过观察同代工艺演进，还不难发现一个事实：一般同代工艺内的器件尺寸（晶体管）间距不会发生变化，而仅在标准单元、部分工艺流程、材料方面会有改进。Prwesmc

所以一般同代工艺演进很难带来大幅度的晶体管密度提升，以及性能、功耗方面的显著革新。不过我们依然会发现，比如台积电说N4相比于N5能够实现6%的die面积缩减。这种芯片面积小幅缩减，或晶体管密度小幅提升，主要是由单元（cell）结构变化带来的，而不是晶体管层面的尺寸缩减。Prwesmc

当然，基于当前半导体制造尖端技术难度和成本陡增，这种工艺改良也不简单。改良版工艺有时还能实现降本增效；对于foundry厂而言，还能成为其下一代完整节点更新的技术积累；也是两代完整工艺节点之间的缓冲，不仅是技术的缓冲，更是市场的缓冲。Prwesmc

基于同代工艺演进这种规则，器件层面没有尺寸缩减实属正常；行业甚至存在Intel这种，为进一步提升性能，同代工艺演进（+++）平均“晶体管密度”变低的状况。Prwesmc

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那么4nm造假了吗？

不过同代工艺技术演进，也存在晶体管密度大幅攀升的情况。比如说三星5LPE工艺，它在三星路线图上并不属于7LPP的完整迭代，而是7LPP同代工艺演进（这也是三星5nm与台积电5nm定位差异的一个体现）。5LPE在器件尺寸方面相比7LPP几乎没有变化，但仍然实现了“晶体管密度”的大幅攀升；这主要是通过引入新型的UHD单元库达成的。Prwesmc

而三星4LPE工艺，起码在三星路线图上看来，是7LPP以后的一次完整迭代（虽然其性能、功耗方面的改进幅度相比5LPE相当小）。这令三星4LPE扮演的角色与台积电N4又很不一样。如果抛开“几纳米”主流话语权在台积电手上这件事，4LPE在三星foundry内部的地位应当也是很重要的，因为两家foundry厂的技术演进节奏是不一样的。Prwesmc

基于5LPE仅为7LPP的同代工艺改良，4LPE才是7LPP的完整迭代；而N5是N7的完整迭代，N4仅为N5的同代工艺改良——理论上市场就不应该期待4LPE和N4同时到来。这也更好理解为什么在原计划的路线图里，台积电N4当晚于三星4LPE到来。不过市场竞争似乎不大理这一套，如文首提及TechInsights的猜测那般。Prwesmc

4LPE在Exynos 2200之上的如约而至因此就很好解释了。只不过三星在4LPE节点上表现仍然拉垮。《三星面临的大麻烦，又岂止是3nm工艺落后》一文就提到了高通并没有选择4LPE工艺，而是一种名为4LPX的5nm改良款工艺，密度稍逊于4LPE——这则消息同样来自TechInsights。Prwesmc

TechInsights在对骁龙8 Gen 1的拆解中发现，4LPX工艺中很难找到4nm特性（hardly found '4nm' features）。SemiAnalysis此前撰文称，三星foundry近两代工艺的parametric yield良率糟糕，且从Exynos 2200的表现来推测，高通最终没有选择4LPE是在情理之中的。Prwesmc

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。这里涉及到一个问题，就是既然“4nm”不存在一个基准，那么怎么理解4LPX和N4是不是4nm的问题呢？我们认为，这主要取决于foundry厂做出来的成品是否与其前期宣传中提到的参数提升一致。如果一致，就可以认为该技术是4nm；如果打了折扣则可认为存在“造假”的可能性。Prwesmc

只是一方面我们也不清楚TechInsights针对工艺研究达到怎样的深度。原本如果只是器件和单元层面的尺寸测量测试，还是很难反映工艺是否有改良或迭代。不过三星自己的路线图都明确了4nm是一次器件尺寸缩减的完整工艺升级，所以4LPX的存在的确有些说不过去。所以4LPX更像是个市场动作。Prwesmc

至于台积电，N4不做尺寸缩减说不说得过去？那就有更大的商榷余地了。毕竟N4真的就只是N5的改良款。只不过从TechInsights的措辞来看，天玑9000的N4大约也未能达成此前台积电宣传中的die面积缩减。加上台积电“提前”N4工艺亮相时间，大概率是为了赶上三星4LPE发布时间点，其相比于N5改良的多少也的确值得怀疑。Prwesmc

N4是否是“真正”的4nm这个问题原本是没有标准答案的。但很快N4P的问世，将有助于我们了解N4究竟是台积电4nm的如约而至，还是台积电的一次市场动作。有趣的是，英伟达在今年的GTC Spring上提到自家新款GPU将基于台积电4N工艺——据说是台积电为英伟达定制的4nm工艺，那么对所谓“4N”工艺的分析大概又会很有趣。Prwesmc

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随着半导体尖端制造工艺技术成本的持续跃升，foundry厂市场竞争的一个重要方向就是持续吞噬对手的市场，否则只能被迫降低投入、减缓技术迭代速度，并在竞争中失去优势。因为成本增速已经快于行业本身的增速。未来尖端制造工艺或许还会面临更大的不确定性，尤其是当器件结构步入GAAFET之后，而4nm节点的这一市场现状不过是个前菜罢了。Prwesmc