晶體管誕生於1947年12月16日，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組成功製作了第一個晶體管，改變了人類發展的歷史。晶體管是20世紀最重要的發明之一，奠定了微電子革命的基礎。相對於體積大、功率大的電子管，晶體管小巧而且功率低，為後來大規模集成電路的出現吹響了號角。經過70多年的發展，多次的技術更迭，隨着製程工藝的不斷進步，目前已經可以在指甲片大小的芯片上集成數以億計的晶體管。
近幾年來，隨着AMD Ryzen系列處理器的崛起，以及台積電（TSMC）在製程工藝的推進，讓更多的電腦愛好者留意到處理器的製造工藝，認識到什麼是製程節點，為什麼會如此重要。在日常裏，一般會談論到某處理器用多少納米（nm）的工藝，通常數字越小，意味着很可能越先進。出現這種情況，其中一個不能忽視的因素是，英特爾近幾年在工藝研發上寸步難行，在桌面平台長時間停留在14nm製程節點，這時間基本足夠在中山大學醫學院的臨牀醫學專業完成本碩連讀課程了。
當然，在晶體管誕生後的70年時間裏，英特爾在工藝技術上一直處於前沿位置，為人類社會的發展和科技進步有着不可磨滅的貢獻。這些功績，以及累積的技術和經驗，不會因為幾年的曲折發展就可以完全忽視掉。這期超能課堂裏，就以英特爾桌面處理器的工藝發展為主線，簡單回顧處理器的製程節點變化。
圖：刊登“摩爾定律”的《電子》雜誌
英特爾的歷史相信不少人都有相當的瞭解，不過在這裏還是要提一下英特爾的創始人之一的Gordon Moore。1965年4月19日，Gordon Moore在《電子（Electronic）》雜事上發表了題為《把更多元件塞進集成電路（Cramming more components onto integrated circuits）》的論文。在這篇論文裏，提出了一個著名的預言：未來十年裏，芯片的晶體管數量會每年翻倍。事實證明，這個預測非常精確。到1975年，最先進的芯片實際晶體管數量為65536個，幾乎與當年預測的65000個相差無幾。
實際上，Gordon Moore也沒有想到當年的推測會這麼精確。此時Gordon Moore也對之前的説法進行了修正，週期變成了兩年。加州理工學院的教授Caverns Mead將其總結為半導體行業的規律，稱之為“摩爾定律”，從此廣為流傳。在之後很長一段時間裏，集成電路也如“摩爾定律”所説的軌跡那樣發展。在2005年，“摩爾定律”40週年的時候，英特爾曾懸賞一萬美元，尋找一本當年的《電子》雜誌。由於《電子》雜誌已在1988年停刊，而且專業性較強，數量並不多，不過最後由一位英國工程師提供了該期雜誌獲得了懸賞。
1971年：10微米
在1971年，英特爾發佈了第一款微處理器4004，採用10微米工藝製造，僅有2300個晶體管，頻率為108 KHz。微處理器的工藝是從微米（μm）時代開始，在隨後超過30年的時間裏，説起處理器的工藝，都是使用多少微米來説明。
1974年：6微米
在1974年，英特爾發佈8080處理器。這是一款8位處理器，採用6微米工藝製造，有6000個晶體管。相比於8008處理器（英特爾第一款8位處理器）採用的PMOS電路，8080處理器採用的NMOS電路使得頻率有大幅度提高，從0.5 MHz/0.8 MHz提高到2 MHz。8008處理器讓英特爾乘上了發展的快車，幫助英特爾在隨後幾年佔據了市場的領導地位。
1978年：3微米
在這一年，英特爾推出了第三代微處理器8086，這是一款16位處理器，採用3微米工藝製造，有大概2.9萬個晶體管，頻率有4.77 MHz、8 MHz和10MHz三個版本。IBM的第一台個人電腦就是使用這款處理器，對英特爾而言有着劃時代的意義。
1982年：1.5微米
80286是英特爾第一款以x86命名的處理器，採用1.5微米工藝製造，有13.4萬個晶體管，頻率為6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。隨後在1985年，英特爾又推出了同樣製程工藝的80386處理器，這是一款32位處理器，有27.5萬個晶體管，頻率從12.5 MHz到33 MHz。
在這段時期，80386處理器得到了廣泛的使用，雖然個人電腦的飛速發展，使得80386處理器在20世紀末已很少見到，不過很多特殊領域，不少機器長時間由80386處理器擔當大腦的角色，比如嵌入式系統、工業電腦和航天航空等領域。因此英特爾在很長時間裏一直生產80386處理器，持續到2007年才停產。
1989年：1微米
80486是英特爾首個突破100個晶體管數量的吹起，前後投入了3億美元，花了四年的時間開發。其擁有125萬個晶體管，採用1微米工藝製造，頻率從16 MHz到100 MHz。其實後期的80386處理器同樣轉入1微米工藝製造，頻率也提高到40 MHz。
1993年：0.8微米
在1993年，奔騰（Pentium）處理器橫空出世，第一版的奔騰處理器採用0.8微米（800納米）工藝製造，擁有310萬個晶體管，頻率有60 MHz和66 MHz兩款。奔騰處理器的出現，也意味着英特爾的工藝從微米時代逐漸跨向納米時代，同時開始打造處理器的品牌形象。不過0.8微米工藝製造的奔騰處理器發熱量比較大，而且後來爆出了Pentium FDIV bug，使得英特爾一度非常尷尬，最後需要召回有問題的奔騰處理器。
1994年：0.6微米
英特爾很快就改進了奔騰處理器的工藝，在頻率75 MHz開始，奔騰處理器改為0.6微米工藝製造，電壓由5V降到了3.3V，降低了發熱量。在這段時間，英特爾和IBM在工藝研發上的多次合作，使得工藝推進速度很快。今年英特爾公佈IDM 2.0戰略公佈後，就宣佈了和IBM之間的研究合作計劃，雙方重新攜手，將專注創建下一代邏輯芯片封裝技術。
1995年：0.35微米
英特爾在奔騰 133開始將工藝進一步更新為0.35微米，這是純粹的CMOS製程，芯片尺寸的縮小使得集成度提高，同時功耗降低，性能有了進一步的提升。0.35微米是一個頗為重要的製程節點，包括後來英特爾的奔騰MMX（Pentium MMX）、奔騰Pro（Pentium Pro）和奔騰II（Pentium II/Klamath核心）處理器，以及AMD的K5和K6處理器。
1997年：0.25微米
在1997年，英特爾推出了Deschutes核心的奔騰II處理器，採用了0.25微米工藝製造。後來英特爾最初的奔騰Ⅲ（Pentium Ⅲ/Katmai和Confidential核心）處理器也沿用了該工藝，擁有900萬個晶體管，頻率從450 MHz起步。AMD最初的K7處理器也是0.25微米工藝製造，這時期AMD在工藝上一般比英特爾稍慢一些。
可以看到在上世紀90年代，芯片製造工藝的更新換代速度很快，英特爾將週期縮短到兩年左右。工藝上的領先使得英特爾的處理器在技術上有更大的設計餘地，其他廠商採用同樣製程節點的產品大多要比英特爾慢半拍才投放到市場，核心和工藝的領先使得英特爾有了一統天下的氣勢。另外從這時候開始，基於納米的傳統制程節點命名方法，已不再與晶體管實際的柵極長度相對應。
1999年：0.18微米
在新世紀到來前，AMD的K7處理器誕生了，這是AMD第一次崛起的開始，對英特爾造成了很大的衝擊。為了應對AMD強有力的挑戰，英特爾發佈了Coppermine核心的奔騰Ⅲ處理器，擁有950萬個晶體管，頻率從500 MHz起步，並最終歷史性地首次突破了1GHz的關口。到了奔騰4處理器（Pentium 4/Willamette核心），處理器頻率已經進入了GHz為單位的時代了，不過最早的奔騰4處理器仍採用鋁互連技術的0.18微米工藝，擁有4200萬個晶體管。
更好的工藝使得處理器在設計上有了不小的進步，片內集成緩存使得性能有了大幅度提高。
2001年：0.13微米
在這個製程節點上，英特爾推出了首次應用銅互連技術的Tualatin核心奔騰Ⅲ處理器，以及Northwood核心奔騰4處理器，後者擁有5500萬個晶體管，HT超線程技術也首次出現了，處理器的頻率達到了3.2GHz的高度。在該製程節點，桌面處理器全面邁向64位時代，無論英特爾還是AMD的產品，大多功耗較低而且性價比較高，受到了許多消費者的歡迎。
2004年：90納米
桌面平台上，英特爾在Prescott核心奔騰4處理器上首次使用該工藝。在這個時期，很多人也會將90納米工藝習慣地稱為0.09微米工藝。在這個製程節點上，英特爾的回憶並不美好，反倒是AMD有多款Athlon 64/Athlon 64 X2經典產品，也進入了AMD第一個高峯期。
在90納米制程節點上，英特爾收到了工藝上“泄漏電流”的影響，芯片額外的功耗增加了，使得處理器頻率無法提高，發熱量居高不下。這也讓英特爾在工藝研發上投入了更多的資源，在隨後的日子裏，英特爾與AMD在處理器工藝上的距離逐漸拉開，從時間差變成了代差。
2006年：65納米
英特爾在Presler核心的Pentium Extreme Edition 955處理器上首次應用了65納米工藝，達到了3億7千6百萬個晶體管。新的製程節點，讓Netburst微架構高頻帶來的高熱情況有所緩解。當然，這不是該製程節點最大的亮點，Core微結構處理器的出現引領英特爾走進新時代，逆轉了與AMD之間競爭的不利局面。這時期雙核處理器逐漸成為主流，同時四核處理器也出現了。
2008年：45納米
採用新制程工藝的Core 2系列處理器讓英特爾的競爭優勢逐漸擴大，其雙核心版本擁有4.1億個晶體管，四核心版本擁有8.2億個晶體管。英特爾在90納米制程節點上吃了苦頭，深知漏電問題將會阻礙芯片的設計、大小、耗電量和開發成本。為了降低漏電情況，提升製程工藝的效能，英特爾引入了名為High-k的新材料製作晶體管閘極電介質，而晶體管閘極的電極也搭配使用了全新的金屬材料組合。
在該製程工藝上，英特爾還推出了最初的Nehalem微架構產品，也就是最早的酷睿系列處理器。同時英特爾提出了著名的“Tick-Tock”模式，每兩年更新一次微架構（Tock），中間交替升級生產工藝（Tick）。在隨後的數年時間裏，英特爾按照自己的計劃大步向前走，反觀AMD，隨着K10和推土機微架構的失敗，加上處理器工藝上代差明顯，幾乎被拖垮。英特爾表示，從65納米制程節點的Core微架構開始就在執行“Tick-Tock”策略，藉助維基百科上的一幅圖，可以簡單清晰地看到“Tick-Tock”戰略的推進。
2010年：32納米
最早使用32納米的處理器仍然是Westmere微架構的產品，Nehalem微架構的32納米版本，原生六核心的處理器也開始走進了人們的視野。在該製程節點上，更為著名的是Sandy Bridge微架構，採用了雙柵極晶體管的32納米工藝製造。在隨後的幾年時間裏，英特爾嚴格遵循了“Tick-Tock”策略下的處理器發展計劃。這一代處理器非常經典，讓不少人喊出了“Core i7-2600K再戰三年”的口號，雖然聽起來更多只是在開玩笑，但可見Sandy Bridge微架構的產品非常深入人心。
2012年：22納米
Sandy Bridge微架構的繼任者是Ivy Bridge微架構，採用了3D三柵極晶體管（3D Tri-Gate）的22納米工藝製造，實際上與後來使用的FinFET工藝技術已經很相似了。在2013年英特爾推出的Haswell微架構沿用了該製程節點，頻率突破了4GHz。這時期英特爾和AMD的處理器在性能上差距比較大，出現了“i3默秒全”的説法。
在這個時期英特爾可以説是引領製程工藝的發展，把其他同行都拋在了身後，意氣風發的英特爾表示在工藝製程上領先同行3.5年。今天大紅大紫的台積電（TSMC），在當年也就剛摸上了28nm工藝的門檻，而且仍在使用HKMG，同時產能也無法與英特爾相提並論。
台積電也有自己的應對方法，不完全按照45nm—32nm—22nm—14nm—10nm這樣的製程節點提升工藝技術，不時地會推出半代的升級工藝，比如40nm工藝。當然，28nm工藝可以説非常地成功，時至今日應用也非常廣泛，不過英特爾一直對這種搶佔製程制高點的方式嗤之以鼻。
2015年：14納米
該製程節點是英特爾“Tick-Tock”策略崩潰的開始，雖然一開始遭遇了延期，但比起後期遇到的困難，應該説還算順利。最早使用14納米工藝的是Broadwell微架構，也就是Haswell微架構的14納米版本。接下來的Skylake微架構相對來説比較成功，只是沒想到此後數代酷睿系列產品在該製程節點折騰了好幾年的時間，從14nm到14nm+再到14nm++，唯一的好消息大概是頻率突破了5GHz。前一段時間我們超能課堂專門寫了一期名為《 Intel歷代14nm桌面處理器回顧 》，詳細介紹了英特爾桌面處理器在14納米制程節點的事，有興趣的讀者可以去看一下，這裏就不再過多地重複敍述了。
三十年河東三十年河西，AMD卻在這時期追了上來，2017年推出的第一代Ryzen系列處理器就用上了14nm工藝。從Zen架構開始，AMD也按照自己的節奏，按部就班地進行更新換代。隨後AMD的Zen+架構產品採用了12nm工藝，已經有即將超車的苗頭，雖然算不上真正的製程節點，但以往英特爾在製程工藝上的領先已經優勢已經不多了。接下來的事情大家知道，AMD最終在處理器的性能和工藝製程上實現了反超，再次説明原地踏步不進則退的道理。
2019年：7納米
在2019年，AMD推出了基於Zen 2架構的Ryzen 3000系列處理器，採用台積電的7納米工藝製造。毫無疑問，這是AMD和台積電的全面勝利。即便英特爾用盡方法為自己在某個製程節點上的技術領先辯解，也沒辦法掩蓋AMD和台積電的光芒，特別是前者在短短几年時間裏實現大翻盤的這個事實。當英特爾決定找台積電代工的時候，已從側面説明雙方目前所處的位置。
如無意外，在今年年末，我們將迎來英特爾的Alder Lake平台，也就是第12代酷睿處理器。這是英特爾在桌面平台首款基於10納米工藝的處理器，也是首款採用big.LITTLE混合架構的x86桌面處理器。雖然英特爾在針對移動端和服務器市場已推出了10nm工藝製造的處理器，但桌面端實在落後太多。不過這也説明了經過多年打磨，英特爾的10納米制程節點終於走向成熟，但有點為時已晚。
台積電已取代英特爾，在工藝上處於領先的位置。目前台積電已推進到5納米制程節點，而且越來越成熟，產能和良品率也逐步提升。台積電已開始部署3納米制程節點的量產，並會向2納米制程節點發起衝擊。即便在台積電身後苦苦追趕的三星，雖然技術上處於落後，而且在製程工藝的命名上被人詬病，但整體情況仍然比英特爾要好。在未來，台積電和三星將會引入GAAFET全環繞柵極晶體管工藝。
在上個月舉行的“英特爾加速創新：製程工藝和封裝技術線上發佈會”上，英特爾CEO帕特-基爾辛格（Pat Gelsinger）展示了一系列底層技術創新，除了公佈全新晶體管架構RibbonFET和全新的背面電能傳輸網絡PowerVia，還重點介紹了迅速採用下一代極紫外光刻（EUV）技術的計劃。英特爾還有望率先獲得業界第一台High-NA EUV光刻機，並加快推進製程工藝的創新，以確保到2025年製程性能再度領先業界。
為此，英特爾重新制定了自己的製程路線圖，並決定為其製程節點引入了全新的命名體系，取代以往的命名方法。英特爾認為，一個清晰而且一致的框架，有助於對整個行業的製程節點有更清晰和準確的認知。英特爾表示，將憑藉RibbonFET和PowerVia兩大突破性技術開啟埃米時代。其中RibbonFET是對Gate All Around晶體管的實現，將成為英特爾自2011年推出FinFET以來的首個全新晶體管架構。
在接下來的數年時間裏，台積電、三星和英特爾的製程工藝競爭將會變得更加激烈。