冰与火之歌：Intel、AMD 工艺升级一路风雨

去年 10 月份 AMD 宣布 3.71 亿美元出售在中国江苏、马来西亚槟城的封装工厂给南通富士通公司，AMD 只保留 15% 的股份，并获得了 3.2 亿美元的收益，本月初 AMD 宣布完成了与南通富士通公司的交易。出售封装厂是 AMD 业务转型的一部分，这是继 2009 年拆分晶圆制造业务之后 AMD 再一次出售半导体工厂，他们将彻底转变为无晶圆公司——这距离 AMD 创始人桑德斯的名言 " 好汉要有自己的晶圆厂 " 已经过去了 23 年。

半导体工艺对处理器影响至关重要，可以说是决定了处理器的性能、功耗水平，此前我们在《Intel 为何吊打 AMD，先进半导体工艺带来什么？》一文中介绍了先进工艺给处理器带来的种种优势，不过 Intel 为何吊打 AMD 的问题我们还没回答完—— Intel 从什么时候开始制程工艺全面领先 AMD 的？

为了解答这个问题，这次我们统计了 AMD、Intel 处理器的工艺升级路线图，上古时代的奔腾处理器就不说了，我们以 2000 年的奔腾 4 处理器为起点，对比了这 16 年来双方代表性的处理器及工艺变化，如下图所示：

▲ AMD、Intel 处理器工艺升级路线图

2000 年 Intel 首次推出了奔腾 4 处理器，第一款核心是基于 Willamette 架构的，制程工艺是 180mm（0.18um）。同时代的 AMD 在工艺上并不差，当年的雷鸟核心 Athlon 同样是 180nm 工艺的。此后，整个奔腾 4 时代，AMD 的处理器工艺都不比 Intel 落后，架构性能甚至更领先，在 2003 年首发 64 位 K8 架构发布之后尤其如此，这种情况一直持续到 2006 年 Intel 推出了 Core 2 Duo 处理器（" 扣肉 " 架构最早用于移动处理器，C2D 品牌时才用到桌面版）。

虽然奔腾 4 之后的 Core 架构公认是 Intel 的翻身之作，性能、能效表现上佳，但那时候 AMD、Intel 的工艺水平并没有代差，工艺领先的第一个转折点出现在 2008 年，Intel 不仅推出了 Nehalem 架构，处理器也升级 45nm 工艺，彼时 AMD 推出的 K10 架构 Phenom 处理器还在使用 65nm 工艺。

▲ Intel 的 Tick-Tock 战略

那时候，Intel 不仅更换了 Core i7/i5/i3 这样简单好记的处理器品牌，制程工艺上也开始 " 开挂 "，宣布了著名的 Tick-Tock 战略——工艺、架构隔代升级，2 年一个周期，从 2007 年 45nm 工艺的 Penryn 处理器开始算起（移动处理器架构，第一个使用 45nm 工艺的），2008 年推出了 Nehalem 架构，2010 年推出了 32nm 工艺的 Westmere 处理器（首次使用 HKMG 工艺），接着就是大部分开始熟悉的 SNB、IVB、Haswell、Broadwell 及最新的 Skylake 了。

在最近几代 Tick-Tock 升级中，IVB 处理器的地位最为独特——它属于 Tick 环，也是工艺升级 m，但是 Intel 对它的描述是 " 不只是 Tick+"，因为该节点 Intel 除了升级到 22nm 工艺之外还量产了 3D 晶体管工艺，其他半导体公司的叫法是 FinFET 工艺，原理上都类似，就是把晶体管从平面变成了 3D 立体式的。

3D 晶体管带来的好处就是：与 Bulk、半耗尽型 PDSOI、全耗尽型 FDSOI 工艺相比，较低的电压下性能提升 37%，同性能下功耗减少 50%；提高了晶体管开关速度；对于给定的晶体管则有更高的驱动电流；成本上只增加了 2-3%，相比 FDSOI 工艺增加 10% 的成本而言大大降低。

在 Intel 大步升级制程工艺的同时，AMD 这时候却做出了惊人的决定——多年的重负之下 AMD 终于选择了拆分晶圆业务，与阿布扎比高级技术投资公司（ATIC）成立了 GlobalFoundries（格罗方德）公司，AMD 占股 1/3，但随后 AMD 不断减持，最终在 2011 年抽身，被称为 AMD 女朋友的 GF 最终变成了独立晶圆代工公司。

此后，AMD 在 K10 架构 TLB 问题之后推出了改进版的 Phenom II 处理器（虽然大家说是 K10 二代架构，但官方表示只有 1 个 K10 架构），制程工艺是 45nm SOI。

2011 年 AMD 在 K10 架构之后拿出了 " 革命性 " 的推土机（Bulldozer）模块化架构，与当时主流的 X86 架构相比，AMD 的模块多核架构很有前瞻性，理念还是很超前的，FX-8150 还成为首款桌面 8 核处理器，制程工艺也升级到了 32nm SOI。

但是 AMD 的模块多核并没有成功——至少没有 AMD 预期的那般成功，2011 年底推土机的 32nm SOI 在 32nm 工艺的 SNB 面前并不算落后，但是推土机性能表现不尽如人意，功耗也不如 SNB 那么优秀。更悲剧的是，GF 拆分出去之后对新工艺的掌握一直不稳定，不论产能还是性能都满足不了 AMD 的要求（这个坑其实还是 AMD 自己挖的，没拆分之前工艺已经开始落后了）。

AMD 的高性能工艺自此就停留在了 32nm SOI 这一代上了，第二代模块化架构 Piledriver 打桩机也是 32nm SOI 工艺，之后 AMD 的第一代 APU 处理器 Llano 也用的是 32nm SOI 工艺，也坚持了三代产品，直到 2014 年的 Kaveri APU 上才换了 GF 的 28nm SHP 工艺，并沿用至今。

如今 Intel 与 AMD 的制程工艺已经拉开三代差距了—— AMD 在 32nm SOI 工艺之后就不再升级 FX 高性能处理器了，每年只有零星的新型号发布而已，但架构、工艺依然没变，Intel 已经发展到 14nm 工艺了。

公平来讲，AMD 在半导体制程上也不是没有高技术，在 Intel 未量产 3D 晶体管工艺之前，SOI（绝缘体上硅）技术一直是 AMD 处理器的独家秘方，在晶体管之间加入绝缘体可以减少离散电容，更容易提升开关频率，CPU 速度可提升 20-50%，同时还可以减少漏电流，降低功耗。

SOI 技术主要是 AMD 及 IBM 晶圆厂在用，Intel 一直拒绝使用 SOI 工艺，但是 32nm 工艺之后 AMD 也放弃 SOI 工艺了，28nm 节点开始转向传统的体积硅工艺。

总结：10 年轮回，AMD 年底等来了新工艺

硅谷硬汉桑德斯创立了 AMD，并主政 AMD 30 多年，他对 AMD 影响固然深远，宁愿亏损也要自己建晶圆厂的勇气值得钦佩，但时代不一样了，前任 CEO 的名言也不是金科玉律，AMD 放弃晶圆厂进而放弃封装厂的做法有他们自己的考虑，外人的评价对他们来说并不重要，维持先进的制造工艺对 AMD 来说耗费太大了，实际上就连蓝色巨人 IBM 都放弃晶圆厂了，甚至是巨资补贴才找到 GlobalFoundries 接手。

在半导体制造上，AMD 当初也是跟 Intel 并驾齐驱的，但在多年累积之后，AMD 的工艺升级已经慢下来了，转折点就发生 2008 年前后，Intel 提出了 Tick-Tock 战略，CPU 工艺、架构明确了 2 年一次升级，而 AMD 当时正在拆分晶圆厂，K8 架构之后的 K10 架构出师不利，接下来的推土机架构同样没有达到预期目标，拆分出来的 GF 公司初期在制程工艺上一直不成熟，AMD 也深受其害。

但是我们并不能说 Intel 是靠着 Tick-Tock 战略才在工艺上战胜了 AMD，实际上这个因果关系是颠倒过来的——正因为 Intel 在半导体技术上有深厚的积累，才能推出 2 年升级一次的 Tick-Tock 战略。相比之下，AMD 的情况就糟糕了许多，他们每年的营收仅为 Intel 的零头，价格战导致盈利水平更是堪忧，而半导体工厂投资越来越高，一座 300mm 晶圆厂通常要花费 50-100 亿美元，而且折旧率很高，维持先进工艺需要不断升级，AMD 无力维持如此庞大的开支也是正常的。

此外，AMD 在 K8 之后的 K10、推土机架构都不给力，无法重现当年 Athlon 处理器高性能、高能效的辉煌，而 Intel 在 P4 架构之后推出的 Conroe、Nehalem 等架构奠定了今日的基础，更有先进工艺辅助，率先量产了 3D 晶体管工艺，这些都远远甩开了 AMD 公司。

如今风水轮流转，Intel 的 Tick-Tock 战略这两年也停摆了，AMD 虽然硬拖着 32nm SOI 没升级，但 GF 在放弃自家 14nm-XM 工艺转而接受三星 14nm FinFET 工艺之后也靠谱多了，AMD 煎熬了几年之后总算等来了 Zen 架构处理器，制程工艺也是 14nm FinFET 的，与 Intel 今年的 Kaby Lake 处理器处于同一级别，也就是说在 10 年之后 AMD 在工艺上终于再一次跟 Intel 同台竞技了，年底的好戏可不容错过。

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