超能课堂(42)：冰与火之歌，Intel、AMD工艺升级路线图
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，此前我们的超能课堂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，这次的超能课堂文章中我们统计了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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