半導體製程節點命名迷思:「奈米」數字為何早已不是電晶體的實際尺寸

製程節點名稱的起源:28奈米時代如何直接對應電晶體實際尺寸

在28奈米製程世代,節點名稱曾直接等於電晶體的實際閘極長度CITE:E1。imec旗下技術媒體IC-Link於2024年11月18日發布的文章指出:「28奈米就是該技術所用MOS電晶體的實際閘極長度」CITE:E1。也就是說,在這個世代,設計者只要看到「28奈米」這個標籤,就能直接對應到晶片上一個可量測的實體特徵CITE:E1。

脫鉤的開始:先進製程中節點名與物理尺寸的背離

進入先進製程節點後,節點數字已不再對應電晶體任何實體特徵CITE:E2。imec(IC-Link)指出:「先進節點的數字已不再直接對應電晶體的任何實體特徵」CITE:E2。文中並以台積電(TSMC)的N3技術為例說明,該技術採用3D立體電晶體結構,使得傳統定義下的閘極長度已不再具參考意義CITE:E3。換言之,N3這個名稱背後,已經沒有一個對應的單一實體尺寸可供量測CITE:E3。

業界的困境:連晶片設計者也說不清節點名代表什麼

英特爾(Intel)資深院士Mark Bohr坦言,說不出哪個實體尺寸恰好對應32奈米、22奈米或14奈米CITE:E5。這段話出自IEEE Spectrum於2013年10月28日的報導,文中這位英特爾資深院士直言:「我是第一個承認自己說不出哪一個尺寸剛好是32奈米、22奈米或14奈米的人」CITE:E5。同一報導也指出,如今的節點名稱已不像過去那樣反映晶片上任何特定結構的尺寸CITE:E4。

節點名的真相:世代升級代號而非物理尺寸標示

GlobalFoundries將新一代晶片稱為14奈米,因相較20奈米晶片有約一個世代的效能與能效提升CITE:E6。據報導,該公司之所以把這批晶片命名為14奈米,是「因為相較其20奈米晶片,提供了大約一個世代份量的效能與能效提升」CITE:E6。也就是說,14奈米這個數字代表的並非任何量測出來的實體尺寸,而是相對於前一世代(20奈米)的效能升級幅度CITE:E6。

節點名稱與物理意義對照

超越摩爾定律:製程節點演進的新邏輯

imec指出,純粹由摩爾定律驅動的尺寸微縮,已不再是預測CMOS製程節點演進的唯一指標CITE:E7。imec在2025年1月16日發布的技術文章中表示:「近二十年來已很清楚,純粹由摩爾定律驅動的尺寸微縮,已不再是預測CMOS技術節點演進的唯一指標」CITE:E7。這與前述28奈米、N3、32/22/14奈米、20奈米等案例呼應:當尺寸微縮不再是唯一驅動力,節點名稱自然也從「物理尺寸標籤」轉變為「世代升級代號」CITE:E7。

這代表什麼

綜合以上,「奈米」數字在半導體業界的意義,已從28奈米世代可直接量測的閘極長度CITE:E1,演變為連英特爾資深院士都無法逐一對應實體尺寸的世代標籤CITE:E5;台積電N3的3D立體電晶體結構使閘極長度失去參考意義CITE:E3,GlobalFoundries更直接以相較20奈米「約一個世代」的效能與能效提升來定義14奈米CITE:E6,顯示節點名稱如今描述的是相對於上一世代的性能跳躍,而非任何可測量的物理長度。這與imec指出尺寸微縮已非製程演進唯一指標的判斷一致CITE:E7。