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我来告诉你台积电16nm工艺为什么好过三星14nm
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最近，关于iPhone6s A9处理器版本的事情的话题很热，最后都闹到苹果不得不出来解释的地步，先不评判苹果一再强调的整机综合续航差2~3%的准确性，但是三星14nm工艺相比台积电16nm工艺较差已经可以说是板上钉钉的事了。
那么问题来了，工艺不是纳米数越小就越好吗?14nm怎么会比16nm还差呢?这个问题不仅小白消费者困惑了，连看似专业的Anandtech和GeekBench的人也表示不解。其实对这个结果，真正半导体领域特别是工艺领域的从业人员是有预期的，其中的原因也是非常清楚的，既然大家有这么多困惑，我就尽量用通俗易懂的方式解释给大家听听。
要解释清楚台积电16nm好于三星14nm这个问题，首先要回答下面几个问题：
1、 为什么工艺越先进(纳米数越低)，功耗和性能都会提升?
2、 在每个工艺节点(纳米数相当)上，是否也同样存在不同的功耗和性能的工艺选择?
3、 Finfet又是什么?
4、 台积电和三星都在具体的工艺实现上做了哪些选择，最终导致台积电16FF+相比三星14LPE更优
为什么工艺越先进(纳米数越低)，功耗水平和性能都会改善?
这要从晶体管说起了：
关于半导体基础知识，外面的专业文章一搜一大把，但是都不是给正常人看的，所以我就把那些曲线和拗口的各种材料名扔一边，让事情简单一点，用个最简单的模型给大家讲解。上面这副示意图中就是一个典型的半导体晶体管。其中两个绿色的部分分别是晶体管的两级，类似电池的两级。红色的部分就是用来控制这两个电极的通断的，而通断分别对应数字化时间的1和0，所以所谓数字化世界其实也就是非常非常非常多的晶体管的通断变化组合出来的。红色Gate的宽度就是我们通常所说的沟槽宽度或者线宽，我们通常说的多少多少nm就是指的这个宽度。大家注意这可是纳米，1000纳米=1微米，1000微米=1毫米，大家这下有概念了吧。
那么这个Gate的宽窄为什么会影响性能和功耗呢?先说性能，性能好意味着在一定的时间干更多的事，在处理器里就是更多的运算，我们可以当半导体晶体管每次0/1变化就算一次运算，那么那个红色Gate越宽，两个绿色电极就越远，导致他们直接连通一次的时间就会越长。这就好比一个人在10分钟里做25m往返跑的次数肯定比50m往返跑的次数多一样。所以Gate越小，晶体管一次状态变化的所需时间就会越短，单位时间的工作次数就会越多，一堆晶体管单位时间可做的运算自然就更多，所以性能更好。
再说说功耗。Gate是通过加电压帮助两个绿色电极通电的，而Gate越宽，就需要更高的电压才能导通两极，Gate越窄，导通就更容易，所需的电压也就越低。这很容易理解，离得近容易通，离得远不容易通，要通就需要使更大的力气。那么学过基础电学知识的都知道功耗的大小与电压的平方成正比(如下：)
P(功率)= V2(电压的平方)
所以导通电压的下降是新工艺能够降低功耗的主要因素。还有一个因素，即便是电压相同，通过导体的面积和长度越小，电流也会越小。更小的Gate等于是缩小的导体，因此也会减少功耗。
就是这些原因带来了先进工艺(更窄的Gate)带来的好处，那么这个好处有多大呢?下面一组数据是几个典型工艺的相应性能、功耗的改进数据，我们看到还是很可观的。这也是半导体厂商追逐工艺的一个重要的原因。
在每个工艺节点(纳米数相当)上，也会有很多不同性能功耗水平的版本
Gate的宽度是工艺特性的一个主要因素，更准确的说是决定了一代工艺的特性范围。由于三星和台积电在技术来源上存在一些不同，我们会看到一些具体数值上的差异，但是同代工艺实际上在总的范围上是类似的。下表是三星和台积电同代工艺的大致对应关系，所以三星的14nm和台积电16nm是同代工艺。
在每代工艺的特性范围内，还有其它很多因素影响着工艺的性能和功耗水平。先说两个数据大家感觉一下，28nm的Wafer(晶圆)生产过程中需要做40多层Mask，而用了FinFet技术的14/16nm，更是需要近60层的Mask。所以大家千万不要以为确定了Gate的宽度，就什么都定了，其实这好几十层的工艺过程中，还是有很多不同的材料和设计可以带来不同的性能功耗差异。
下表是从台积电官网复制下来的一个表格(/english/dedicatedFoundry/technology/28nm.htm)，是台积电的28nm工艺下的不同版本列表，有5个之多，而且特性差距也是很明显的。其中28HPM和28LP是手机芯片的两个常用的工艺。28HPM相比28LP最大不同是在晶体管Gate底部采用了High-K的材料，通过这个可以显著提升性能和功耗。具体什么是High-K我们这里就不展开了，大家只要知道同代工艺的不同版本也会有不同的特性就行。这样便于理解三星14nm和台积电16nm作为同代工艺，但在实际特性上会存在一定的差异。
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& 台积电16纳米cpu为什么比三星14纳米强
台积电16纳米cpu为什么比三星14纳米强
摘要：最近在亚洲果迷们最沸沸扬扬的议题，非“iPhone6s台积电与三星A9处理器的效能与续航力效能差异莫属。网友针对台积电与三星代工的A9处理器做测试，在效能的跑分或是手机的续航力表现，16纳米的台积电A9处理器明显赢
　　最近在亚洲果迷们最沸沸扬扬的议题，非“iPhone6s台积电与三星A9处理器的效能与续航力效能差异莫属。 网友针对台积电与三星代工的A9处理器做测试 ， 在效能的跑分或是手机的续航力表现，16纳米的台积电A9处理器明显赢过14纳米的Samsung A9处理器(测试状况详见这里 )，虽然苹果官方已表示不同代工厂出货的A9芯片都符合Apple标准，根据官方测试实际电池续航力，两者差异仅在2-3%之间，不过似乎无法平息亚洲地区果迷们的疑虑，香港果粉甚至已酝酿换机或退机风潮。　　三星采用的是较新的14纳米制程理论上不但在成本上占优势，效能上也会赢过台积电所使用的则是16纳米制程。 不过， 就实际使用的效能实测结果来看， 不管是苹果官方认证的2-3%之间实际电池续航力或是网友实测的近两小时差异， 台积电所代工A9的处理器胜过三星代工A9处理器却是不争的事实。 为何台积电16纳米A9处理器会胜过Samsung 14纳米A9处理器?以下整理网路的相关资讯及版主个人见解，供大家参考。　　1. FinFET制程是什么?　　FinFET(Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效电晶体)是新型的多重闸道3D电晶体，是曾任台积电技术长的柏克莱电机系教授胡正明所发明。FinFET源自于目前传统标准的晶体管—场效晶体管(Field-FET)的一项创新设计。在传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的闸长。　　图片来源:eettaiwan　　根据三星官方说法,Samsung 14nmFinFET制程在Low Vdd与Less Delay上的表现会优于台积电(TSMC) 20nm Planner。　　Samsung 14nmFinFET制程与台积电16nm FinFET制程相比，三星14nm制程的晶体Die Size较小，相同良率下，成本会较占优势。Ptt网路爆料，台积电的A9芯片报价大约是22美元，三星的报价则可能低30%~50%，版主则认为三星报价可能低10~20% 。不过，三星的良率因不如台积电，三星的供应量无法满足苹果大量的供给需求，两家业者目前对苹果的供应占比仍在伯仲之间。　　图片来源:Chipworks　　2.为何三星的14nm会输给台积电16nm?　　A.三星半导体制程技术超越台积电的始末:　　三星电子在半导体制程技术，过去曾被台积电董事长张忠谋称为「雷达上一个小点」，但三星却已在2014年12月初，开始量产14nm FinFET技术的芯片，领先台积电至少半年，震惊整个半导体产业。三星在半导体制程技术大跃进的关键与台积电研发部战将梁孟松离职转战南韩三星有密切关系。　　梁孟松是加州大学柏克莱分校电机博士，在台积电的十七年间，战功彪炳，是台积电近五百个专利的发明人，负责或参与台积电每一世代制程的最先进技术。梁孟松的强项之一正是台积电与三星激烈竞争的FinFET技术，这与其恩师与博士指导教授，正是FinFET发明人~胡正明教授有关。由于对于调任「超越摩尔定律计划」的安排不满，梁孟松选择在2009年投奔敌营。原本三星产品技术源自IBM，在粱孟松指导协助下，三星的45nm、32nm、28nm世代，与台积电差异快速减少。　　根据台积电委托外部专家制作的一份「台积电/三 星/IBM产品关键制程结构分析比对报告」，三星几个关键制程特征与台积电极为类似，双方量产的FinFET产品单纯从结构分析可能分不出系来自三星公司或来自台积电公司。因此，台积电认定「梁孟松应已泄漏台积电公司之营业秘密予三星公司使用」，并提起法律诉讼。二审法院法官同意台积电的要求，「为了防止泄漏台积电的营业秘密」，梁孟松即日起到日止，不得以任职或其他方式为三星提供服务，梁孟松已上诉最高法院。另外一方面，台积电找回两度退休的台积电研发大阿哥蒋尚义为董事长顾问，目标能让台积电7纳米做到全世界最领先。　　图片来源:天下杂志　　B.三星FinFET的效能与良率为何输给台积电:　　三星A9处理器不但在效能与电池续航力输给台积电，媒体报导三星与格罗方德合作A9芯片良率仅有30%，远落后于台积电。三星电子在网罗台积电前研发大将及其部属下，关键制程技术源自于台积电并领先使用更先进的制程，但为何却在实际使用的效能与良率输给台积电?　　相较于台积电的芯片制程是按部就班由28nm & 20nm Planner & 16nm FinFET演进而来，三星则是由32nm/28nm Planner技术直接跳阶到14nm FinFET技术。由于半导体FinFET技术与过去2D平面技术的经验不同， FinFET无论在制程、设计、IP与电子设计自动化(EDA)工具各方面都必须经过克服众多挑战才能成熟，就结果论来看，三星似乎尚未能成熟驾驭FinFET这项新技术，尤其是良率与漏电控制上。三星虽然挖走了台积电FinFET技术的战将，但高阶主管通常只记得大方向，防漏电及改善良率的苦功则还是要仰赖基层大量、高素质且年轻的肝堆砌而来，这目前仍是台积电的强项。两家公司产品的效能的差异，以跑步来举例，三星虽然速度优于台积电，但跑起来却老是蛇行，最终还是输给直行的台积电。　　不过，话虽如此，三星A9的效能仍是通过Apple的认可，不是三星A9的效能不好，而是台积电做得太好。基于成本的考量与Apple过去的风格，三星仍在A9处理器订单争夺上占了上风。虽然台积电暂时透过法律途径暂时让梁孟松无法正式在三星任职，但关键人才遭挖角导致原本技术的落差鸿沟被弥平的伤害已经造成，台积电仍将面临三星与中国很大的挑战与严酷考验。台积电如何善用蒋尚义的指导及过去数十年累积的经验与基础尽早让台积电7nm做到全世界最领先，将是台积电摆脱三星缠斗之道。
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&&&&三星&S6的问世让14nm成了新的SoC工艺的顶尖，而老牌厂商台积电也不得不紧追，近日在台积电公布Q1财报之际，其也表示最早将在2016年底量产10纳米生产工艺。此外台积电预计，16纳米工艺将于今年第二季度末开始量产。&&&&台积电的财报数据显示，2015年第一季度实现营收新台币2220.3亿元，环比下滑0.2%，同比增长49.8%，与此同时3月营收新台币722.69亿元，环比增长15.4%，同比增长44.7%。台积电公布10nm&16nm工艺路线图（图片来自&authority）
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4￥41005￥10996￥45507￥10998￥16409￥375010￥2998台积电16纳米工艺缩小与三星差距
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台积电16纳米工艺缩小与三星差距
台积电16纳米工艺缩小与三星差距
台积电于上周五宣布，期待已久的16nm工艺正式开始量产，并且终于缩小了与三星、英特尔在半导体工艺上的差距。预计，苹果A9处理器将成为首批台积电16nm工艺的产品，Nvdia、联发科和华为的产品可能要今年晚些时候才能问世。
　　台积电还公布了其最新工艺的客户名单，例如，NVIDIA、LG、联发科、飞思卡尔、Avago等产品，不过令人惊讶的是，苹果并没有出现在这份名单中。因为，日前苹果要求三星和台积电给A9处理器降价，三星已经妥协，而台积电则坚持不做让步，这可能导致苹果进一步削减其订单量，二者的关系也会因此恶化。
　　不过好消息是，台积电已经稳稳地拿下了Nvidia的订单，预计其Pascal将采用加强版的16nmFF+工艺。毋庸置疑，苹果会在这几个月内占用改产线，所以NvidiaPascal新显卡最快也要到明年1季度，华为海思麒麟950也难逃该厄运。
　　需要注意的是，AMD也没有出现在台积电16nm工艺产品目录中，但是其已经有两款产品在FinFET工艺上流片，因此AMD很有可能采用三星或者是GlobalFoundries的14nm工艺。
　　据悉，台积电16nm产线至少接有60个订单项目，这也给丢掉大部分苹果A9处理器订单的台积电长缓一口气。现在，台积电最重要的任务是证明其16nm工艺的稳定性，稳住苹果以及其它客户的心。
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