盡管摩爾定律的尺寸縮減正在放緩，在最先進節點開發芯片的難度和成本也越來越高，但向10/7nm節點邁進的芯片制造商還是在越來越多。

這一趨勢還將持續多久，還有待觀察。很可能7/5nm節點將會需要新的工藝制造設備、工具、材料和晶體管結構。除此之外，還不存在一個行業普遍接受的路線圖，這使得未來的節點比過去的節點更加晦暗難懂。但至少從目前來看，現在大力投資10/7nm的公司的數量比幾年前預計的更多——這不是任何人都可以輕易做出的決定。

　　圖3：三維堆疊的測試芯片，來自Imec

“在28nm之前，要確定一種跨節點的業務案例是否合理，公司可能做的業務分析會比現在更少。”西門子一個業務部門Mentor的CalibrePhysicalVerification產品營銷總監MichaelWhite表示，“幾乎所有人都認為他們必須完全向前跳，在結束了節點n的項目一之后，就要啟動在節點n-1的項目二。這種節點到節點的跳躍讓布局縮小，然后可以增加更多器件、IP和內存——現在這都是過去式了。在低于28nm的節點，跨節點跳躍時的設計/驗證難度增大了許多。”

成本也更加高昂，走錯一步就會給業務造成持續的影響。

“晶圓成本和掩模成本都更高了，也需要更大規模的IP團隊。”White說，“你需要更加仔細地驗證你的芯片是否有足夠的市場支撐你的業務案例完成開發。另外，項目的規模會變得比過去所需的規模更大，你需要確保你有執行這些項目的資本和人力資源。這并不意味著向先進節點邁進的公司變少了，因為我們有100家使用Calibre的公司簽約了28nm以下的DRC/DP/MP。如果你認同博客圈里的斷言，說只有大公司才會做finFET節點，那這個數量可比預期要多得多。但在跳入這個越來越深的池子之前，公司所要思考的也越來越多。”

半導體行業普遍認同這個觀點。向10/7nm的發展動力已經將重點轉向了技術的業務方面。

“選擇10nm和7nm工藝節點并不一定是為了實現更高的性能，而是為了支持高產量生產、低周轉時間和可盈利的業務。”TeklatechCEOTobiasBjerregaard說，“使用全自動化生產流程解決最先進節點的技術難題，從而實現穩定的生產流程，這才是現在討論的中心。”

當然，所有這些都不能空穴來風。大型芯片制造商正在試驗一些選擇，包括一個封裝多個芯片、不同內存和全新架構的異構集成。但器件的尺寸縮減仍然是這個領域的一個關鍵部分，至少現在是這樣。

“如果你要生產芯片，制造加工（fabrication）是其中非常重要的一部分，而且這就是過去實質上定義了摩爾定律的關鍵。”Bjerregaard說，“但生產一款芯片涉及很多東西，從獲得靈感到設計電路再到生產。這聽起來有點沒那么迷人了，但這是好事，因為過去都是關于性能的競爭，英特爾和AMD在MHz級處理器和處理器功率等等指標上互相競賽。現在這個行業正變得越來越穩定，我們需要看穩定生產的能力和盈利能力。”

但向下一節點推進的公司的多樣性讓人驚訝。人工智能和云計算等相對較新的技術更適合最先進的節點。而在一兩個節點之前，這兩個市場都還沒有引起注意。甚至傳統上落后摩爾定律至少幾個節點的汽車制造商也在利用最先進節點開發用于輔助駕駛和自動駕駛的人工智能。

“每個想做人工智能的人都需要7nm及以后節點的性能、功率和外形尺寸。”Cadence的Digital＆SignoffGroup的產品管理總監ChristenDecoin說，“每個想在這里有所發展的人都需要在這里有真材實料，這里有大公司和小公司。另一個推動力是服務器芯片，以及任何連接到云的東西。你可以看到谷歌和亞馬遜等公司正在云方面投入越來越多的資源，而且在云中做的事情也越來越多。如果你想進入服務器芯片市場，你必須要7nm。第三，汽車行業也不再是過去常見的功率MOS之類的了。其中有了更多MCU、信息娛樂系統。這是一個巨大的市場。在這三個垂直市場之間，有20到40家客戶想要7nm，這是很不得了的。這個行業已經20年沒看到過這種情況了。”

eSilicon的IP營銷總監LisaMinwell同意這個說法：“仍然只有典型的大公司才能負擔這種東西。但我們也看到網絡領域的一些創業公司也在向7nm節點遷移。對于這些公司，最大的推動因素是可以使用112Gb/s的SerDes。更大型IP的合格認證周期也更難。硅芯片領域的驗證并不輕松。”

不同之處

在10/7nm節點，工藝會變得復雜得多。因此，規則和限制也更多，而在設計方法和工具方面，很多公司現在都在進行大量創新。

“我們不再像過去50年里那樣進行尺寸縮減了，日程規劃也不一樣，收益情況也將不同，各種時間表都會改變。”Synopsys的SiliconEngineeringGroup副總裁TomFerry表示，“而創新肯定是不同的。之前的創新都是關于平面CMOS。我們過去基本上都是同等地縮減尺寸，而且在功率、密度、成本和性能上的改進速度都差不多相等。現在情況復雜多了，你再也無法只縮減尺寸就能改善各個指標了，因為我們正在操作的幾何尺寸全然不同了。情況再也不同了。這不是線性變化的。”

除了前期設計，在工藝開發、晶體管器件開發和光刻策略方面也正在進行創新。

“另外在后端，在產量增長方面也有相當一些創新。”Ferry指出，“當然，有問題才有創新，所以工藝、器件和光刻的選擇都圍繞相關的尺寸和物理學，要想辦法解決所有這些問題。產量增長可以說是一個自然而然的結果，因為技術變得更復雜了之后，實現產品投產的難度也大了很多，所以需要進行全面的創新。”

Ferry補充說，晶圓代工廠現在更加關注為特定應用優化已有的節點，比如28nm、20nm、16nm和14nm；這些應用包括自動RF和低功耗IoT。“在降低變異性方面也有很多關注和創新。因為物理學方面的原因，變異性是一個大問題。我們沒有我們之前有的利潤，現在為了增加利潤，我們真的必須努力降低變異性——而這幾乎已經達到原子層面了。人們正在分析這些問題。”

Synopsys正在開發一種設計技術協同優化流程，這涉及到新工藝對終端設計和設計目標的影響。“設計一款晶體管并讓其完成一個處理器內核的標準單元設計和布局布線，然后從功率、性能、面積和產量的角度看這種晶體管在這種環境中的效果如何。因為情況變得非常復雜，人們在提出晶體管的設計方法或工藝流程或光刻策略上會有很多選擇。這不是只根據經驗和先驗知識就能完成的。對我們的影響是現在很多模擬、TCAD和光刻技術出現得早得多，標準單元設計者和芯片設計者需要比以前遠遠更早地參與到對這些選擇的評估中。”

新數學

在這波開發新工具和新流程的狂潮之下，有一個壓倒一切的擔憂，即隨著尺寸縮減而出現的成本上漲。

“單位晶體管的成本自28nm以來就不再下降了。”Teklatech的Bjerregaard說，“與此同時，出現了很多競爭，而且這些競爭都與盈利能力有關。這個行業發生整合的部分原因是：為了競爭，你需要讓這些用新制造技術生產的芯片有非常高的產量——至少1億份。人們的關注重點是投產、有量，然后拿到7%到8%的利潤。這和90年代與00年代的情況不一樣了，那時候一切都關乎性能。”

他說在移動市場，競爭的地方是調整制造技術的最后幾個百分點。“你在這些大公司看到的情況也適用于那些每天和布局布線打交道的工程師，這不只是基于他們選擇EDA技術的技術指標。這是一種商業決策。這是一個戰略決策。而且你從根本上就沒法繞過如何將一項EDA技術變成利潤的問題。如果你有一個有數百人的巨大的設計部門，如果一項工具不行了，那就會有幾百人只能等著，這可是非常昂貴的。”

另外為了消除生產流程中的低效部分，還有更多工作要做。這需要整個供應鏈達到全新的效率水平。

“如果你想收緊它并讓它盈利，那你就必須非常嚴格地規劃整個流程。”Bjerregaard說，“對于頂級的半導體公司來說尤其如此，因為它們全都可以取得同樣的制造加工技術。它們全都可以取得同樣的EDA工具，而且他們或多或少都能取得同樣的架構。所以它們到底能在哪里實現差異化？這就是生產穩定性發揮關鍵作用的地方了，因為過程設計就像是一種藝術形式，你沒法直接就添加或購買一個流程。你必須讓流程符合你的文化。你必須讓其配合你的生產方式。一切都需要妥善安排——你反復檢查一切的方式、如何定性和定量地測定是否成功等等。”

在同一個方向上，Cadence的Decoin也指出了晶圓廠的戰術變化。他說：“晶圓廠想要與更少的玩家合作，因為投產這個節點要遠遠復雜得多。為了讓EDA供應商能提供技術，它們這部分需要給出大量投資，所以他們不得不限制合作伙伴的數量。”

復雜的行業動態

公司向10/7nm進軍的原因并不簡單直接。在如半導體行業一樣動態的行業里，要對每家公司和每種設計方案進行特征描述是很困難的。

“在向下一個節點遷移方面，有很多東西需要考慮。”SiliconCreations公司CTOJeffGalloway說，“在過去，向下遷移可以節省晶體管的成本。從65nm到40nm再到28nm和16nm，都是這么個情況。從16nm到7nm就有點費勁了。所以你實際上要尋找的是IP可用性。”

不過，當進入10/7nm節點時，這一節點上的情況似乎比根據歷史趨勢預測的情況更活躍。每一個新技術節點都有很高的風險，還有產量問題、可靠性問題，只有少量客戶會跟進這一節點。

Decoin說：“人們感覺在7nm時，價格將會非常高，以至于歷史趨勢會更加不顯，但現在著眼于10和7nm的客戶可不止幾家。實際上超過20家。”

這將人們的關注重點集中到了10/7nm及以后節點的成本降低上，人們需要更加理解這到底需要什么。

“大型半導體公司將會接觸任何和每一種他們可以接觸的工具，以增強它們對產量提升和節點開發的理解。”Mentor的硅學習產品部門的產品營銷經理MattKnowles說，“他們已經生成了所有這些數據，但過去沒有財務上的理由來分析和研究這些數據。現在情況已經大不一樣了，它們有財務上的理由，想要榨取出數據中的所有信息。我們正在逼近大量基礎限制，但事實上，從這些分析和分析技術中，我們仍然還能榨取一些價值。這不僅涉及技術本身。這是互相關聯的。”

總結

10/7nm節點上的價格還有改進的空間，而且可能不止于此。

“這關乎穩定的生產設計流程，從而以一種穩定且專業的方式生產芯片，但這并不意味著這里沒有投資，也不意味著EDA行業或創業公司在這里沒有機會和挑戰。”Bjerregaard說，“這只是意味著我們關注的重點到處都是。往往是沒人想到的一些地方，因為這不是人們一直在談論的東西。這更像是說‘哇，實際上只要在這個設計流程的角落這么做，我們就可以節省數百萬美元。’”

當從已有的節點和工具中再也不能獲取價值時，我們還有其它一些正在開發中的選擇。

“思考一下產量vs性能/功率vs創新的關系，每個人都著眼于下一個節點，從‘超越摩爾定律’的角度看，現在存在很多進展——硅光子學、3D-IC集成、package-on-die等等。”Decoin說，“在7nm之后，還有5nm和3nm，即使深入這些節點的公司更少了，仍然還會有創新。但這不再只是晶體管尺寸下降這么簡單了。”