28nm，14nm，2nm……什么是半导体工艺节点？

28nm，14nm，2nm……什么是半导体工艺节点？

半导体工艺节点是衡量集成电路制造技术精细程度的重要指标。从最初的微米级到如今的纳米级，工艺节点的不断缩小推动了芯片性能的大幅提升。本文将带你了解半导体工艺节点的发展历程及其对芯片性能的影响。

半导体工艺节点是指在半导体制造过程中，晶体管的特征尺寸（如栅长）的大小。它通常用来描述集成电路制造技术的精细程度。工艺节点的数值越小，意味着晶体管的尺寸越小，集成度越高，从而可以制造出更小、更高效的芯片。

工艺节点的发展历程

微米时代（20世纪70年代至90年代初）

• 1971年：英特尔推出了10μm工艺
• 1974年：工艺节点缩小到6μm
• 1977年：进一步缩小到3μm
• 1982年：实现了1.5μm工艺
• 1985年：工艺节点达到了1μm。这是微米时代的标志性节点，为个人计算机、移动电话等电子设备的发展提供了技术支持。英特尔在1985年推出的386系列处理器，将制程工艺节点提升到了1μm，使得晶体管数量猛增到275,000个，与之前的3μm工艺相比，提升了近10倍。
• 1989年：缩小到0.8μm
• 1994年：工艺节点进一步缩小到0.6μm
• 1995年：实现了0.35μm工艺
• 1997年：主节点为0.25μm

深亚微米时代（1990年代初至21世纪初）

• 1999年：工艺节点缩小到180nm，进入了深亚微米时代。芯片性能的提升和成本的降低，使得电子设备如个人计算机、移动电话等能够以更低的价格和更高的性能进入市场，极大地推动了这些设备的普及和应用。英特尔在1999年发布的奔腾III处理器采用了180nm工艺，晶体管数量达到了2750万个。
• 2001年：实现了130nm工艺
• 2003年：工艺节点进一步缩小到90nm
• 2005年：实现了65nm工艺
• 2008年：工艺节点达到了45nm
• 2010年：实现了32nm工艺

纳米时代（21世纪初至今）

• 2011年：工艺节点缩小到28nm。28nm工艺因其成熟的技术和良好的性价比，成为了许多应用领域的长期选择。即使在更先进的工艺节点出现后，28nm仍然在一些特定应用中保持其重要性。
• 2013年：实现了20nm工艺
• 2014年：工艺节点进一步缩小到14nm
• 2016年：实现了10nm工艺
• 2018年：台积电率先实现了7nm工艺的量产
• 2020年：工艺节点达到了5nm。第一款5nm芯片是苹果的A14 Bionic，于2020年10月发布，首次应用于iPhone 12系列。第二款是华为的麒麟9000，用于华为Mate40系列列。这两款芯片都是由TSMC生产。
• 2022年：台积电实现了3nm工艺的量产
• 2024年：台积电发布了2nm工艺

Moore’s Law

如果仔细观察上述的工艺节点的话，可以发现一个有趣的规律:

如果晶体管的所有特征尺寸都缩小0.7倍，那么标准单元面积可以大致缩小一半。这便是大名鼎鼎的Moore's Law。

摩尔定律的起源

1965年，英特尔（Intel）的创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出，集成电路的封装密度（即单位面积上的晶体管数量）每12个月会翻倍。这个观察后来被称为摩尔定律。1975年，摩尔将这个预测修正为每24个月翻倍。

摩尔定律的重要性

摩尔定律经受了时间的考验，成为半导体行业的一个目标，即在相同的硅片面积上容纳更多的晶体管，从而在单位面积上获得更多的性能。

工艺节点的缩放比例

为了跟上摩尔定律的步伐，半导体制造厂努力通过缩小晶体管的特征尺寸来缩小标准单元的大小。从一代工艺技术到下一代，缩放比例大约是0.7。上面计算了几个工艺节点的尺寸对比，例如180nm到130nm，130nm到90nm，这些比例都接近0.7。

工艺节点对芯片性能的影响

集成度不断提高

随着工艺节点的不断缩小，芯片上的晶体管数量呈指数级增长，集成度显著提高，芯片的功能和性能得到大幅提升。

性能和功耗优化

更小的工艺节点使得芯片的运算速度更快，功耗更低，能效比得到提升，满足了高性能计算、移动设备、物联网等应用对芯片性能和功耗的要求。

制造技术突破

为了实现更小的工艺节点，半导体制造技术不断取得突破，如极紫外光刻技术（EUV）的应用，使得晶体管的尺寸可以进一步缩小，突破了传统光刻技术的限制。

新材料和新结构的应用

引入了高迁移率材料、FinFET（鳍式场效应晶体管）、GAA（环绕栅极场效应晶体管）等新材料和新结构，提高了晶体管的性能和可靠性，为工艺节点的缩小提供了技术支持.