不僅燒腦，而且燒錢！半導(dǎo)體制造業(yè)，緣何還能一路向前？

M1芯片是蘋果公司專為Mac筆記本電腦打造的芯片。不到一年的時(shí)間，蘋果公司再次推出一款基于M1的新一代突破性芯片，稱為M1 Pro和M1 Max，并用在新推出的MacBook Pro筆記本電腦中。

根據(jù)蘋果公司的介紹，M1 Pro和M1 Max的中央處理器運(yùn)行速度比M1提升了70%。兩款芯片均基于臺(tái)積電（TSMC）的5nm工藝，其中，M1 Pro封裝了337億個(gè)晶體管，是M1的2倍多，內(nèi)含10核CPU（包括8個(gè)高性能內(nèi)核和2個(gè)高效內(nèi)核）、16核GPU以及其他功能。M1 Max與M1 Pro具有相同的10核CPU，并添加了32核GPU，M1 Max晶體管數(shù)量更是高達(dá)570億個(gè)。

圖1：M1的性能是市場(chǎng)上同期產(chǎn)品的2倍，而功耗卻低很多（圖源：Apple官網(wǎng)）

細(xì)心的朋友可能已經(jīng)注意到，無論是一年前推出的M1還是現(xiàn)在的M1 Pro和M1 Max，均基于TSMC的5nm工藝。我們可以理解：這三款芯片所具有的高性能，首先得益于蘋果公司本身超強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力，其次就必須要感謝TSMC先進(jìn)的5nm工藝制程了。

其實(shí)，早在2020年中期，TSMC就開始使用N5（5納米）工藝技術(shù)進(jìn)行芯片大批量制造（HVM）的公司，而蘋果公司就是TSMC在該技術(shù)節(jié)點(diǎn)的alpha客戶。

接下來，TSMC將開始使用其N5技術(shù)的性能增強(qiáng)版N5P制造芯片，該技術(shù)承諾，在相同的復(fù)雜度下，芯片性能將提高5%，而功耗降低10%。TSMC還保證，N5的早期采用者可以將其IP重新用于N5P芯片。屆時(shí)，相信蘋果公司的M1系列芯片的性能還會(huì)有很大的提升。由此可見，先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝制程在提升芯片的性能方面正在發(fā)揮越來越關(guān)鍵的作用。

01. 如何定義工藝制程節(jié)點(diǎn)？

大約從20世紀(jì)60年代到90年代末，工藝節(jié)點(diǎn)的名稱主要對(duì)應(yīng)制造工藝中晶體管的柵極長(zhǎng)度（Gate Length），也就是說，此時(shí)的工藝節(jié)點(diǎn)數(shù)字基本代表了芯片中晶體管的尺寸。最常見的情況是用微米而不是納米（nm）來表示制程節(jié)點(diǎn)，例如0.18微米或0.13微米，而不是180nm或130nm。圖2是IEEE給出的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系：

圖2：1992年至2009年期間，工藝節(jié)點(diǎn)與柵極長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖源：IEEE）

后來，也許是出于市場(chǎng)營銷的考慮，半導(dǎo)體工藝制程節(jié)點(diǎn)開始以數(shù)字命名，比如32nm、22nm、14nm、7nm、5nm等等，都是近些年大家耳熟能詳?shù)闹瞥坦?jié)點(diǎn)的名稱。

02. 工藝制程節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)

根據(jù)摩爾定律，芯片上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。這期間，伴隨著集成電路（IC）設(shè)計(jì)水平的提高，半導(dǎo)體制造工藝也得到了快速發(fā)展。

在半導(dǎo)體制造演進(jìn)過程中，45nm堪稱具有劃時(shí)代意義的一個(gè)工藝制程節(jié)點(diǎn)，它的問世使得CPU的性能有了跳躍式的提升。時(shí)至今日，45nm工藝依然在IC制造業(yè)中扮演著重要角色。

當(dāng)工藝制程進(jìn)入到45nm以下級(jí)別時(shí)，隨著晶體管尺寸的不斷縮小，一項(xiàng)必備的新技術(shù)——HKMG（high-k絕緣層+金屬柵極）誕生了。在制作HKMG結(jié)構(gòu)晶體管的工藝上，業(yè)內(nèi)形成了兩大陣營，一個(gè)是以IBM為代表的Gate-first（先柵極）工藝陣營，另一個(gè)是以Intel為代表的Gate-last（后柵極）工藝陣營。Gate-first工藝的支持者主要是以IBM為首的芯片制造技術(shù)聯(lián)盟Fishkill Alliance成員，其中包括英飛凌（Infineon）、NEC、GlobalFoundries（GF）、三星（Samsung）、ST以及TOSHIBA等公司。從45nm制程開始，Intel便一直堅(jiān)持在制作HKMG晶體管時(shí)采用Gate-last工藝，代工業(yè)的翹楚TSMC后來也加入到這一陣營，并決定在28nm HKMG制程產(chǎn)品中采用Gate-last工藝。

45nm之后，28nm是半導(dǎo)體工藝制程發(fā)展過程中又一個(gè)極其關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。在28nm這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上，芯片的性能與成本之間幾乎達(dá)到了完美的平衡。在制造工藝上，28nm工藝承襲了上述兩大技術(shù)路線，即TSMC使用28nm的Gate-last工藝，而三星和GF使用的是Gate-first工藝。

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，最不缺乏的就是創(chuàng)新，接下來出場(chǎng)的FinFET堪稱行業(yè)中一個(gè)里程碑式技術(shù)。FinFET首次把芯片中晶體管的結(jié)構(gòu)從2D變?yōu)?D，即把2D構(gòu)造的MOSFET變成了3D的FinFET。FinFET因此成為將晶體管柵極長(zhǎng)度縮小到20nm以下的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3：3D FinFET結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），是一種新的互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體晶體管，據(jù)稱它的命名是因?yàn)榫w管的形狀類似魚鰭而得來。該技術(shù)的發(fā)明者胡正明教授及其團(tuán)隊(duì)于1998年成功制造出業(yè)界第一個(gè)n型FinFET，其柵極長(zhǎng)度只有17nm，溝道寬度20nm，鰭的高度50nm。Intel在22nm工藝節(jié)點(diǎn)開始采用FinFET技術(shù)，很多公司則選擇在14/16nm節(jié)點(diǎn)上使用。

智能手機(jī)、HPC、物聯(lián)網(wǎng)和汽車相關(guān)應(yīng)用對(duì)性能、尺寸和功耗的追求，不斷激勵(lì)著半導(dǎo)體制造行業(yè)技術(shù)人員的創(chuàng)新活力。一方面，先進(jìn)的工藝制程代表著半導(dǎo)體制造業(yè)不斷創(chuàng)新的能力和技術(shù)水準(zhǔn)。另一方面，采用先進(jìn)的工藝制程能夠大幅提升代工企業(yè)的營收也是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，也許這才是企業(yè)不斷謀求創(chuàng)新的源動(dòng)力。

根據(jù)TSMC最新公布的2021年第三季度財(cái)報(bào)，該公司第三季度收入為148.8億美元，同比增長(zhǎng)22.6%，比上一季度增長(zhǎng)12.0%。本季度毛利率為51.3%，營業(yè)利潤率為41.2%，凈利潤率為37.7%。第三季度，5nm的出貨量占晶圓總收入的18%，7nm占34%，也就是說7nm及更先進(jìn)的技術(shù)占到總收入的52%。據(jù)TSMC副總裁兼首席財(cái)務(wù)官黃文德（Wendell Huang）透露，進(jìn)入2021年第四季度，預(yù)計(jì)行業(yè)對(duì)領(lǐng)先的5nm技術(shù)的需求將更加強(qiáng)勁。

03. 邁向3nm及以上的制程

從3nm節(jié)點(diǎn)開始，業(yè)界希望能從今天的FinFET晶體管過渡到全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAAFET）。目前的情況是，TSMC和三星在3nm制程節(jié)點(diǎn)上走了兩個(gè)不同的技術(shù)路線：三星將部署GAAFET，而TSMC可能在下一代繼續(xù)使用FinFET。

前文已經(jīng)有很多內(nèi)容描述半導(dǎo)體制造工藝的演進(jìn)路線，我們?yōu)槭裁催€要把3nm工藝節(jié)點(diǎn)拿出來單獨(dú)說一說呢？因?yàn)樵谶@之后的節(jié)點(diǎn)上，芯片制造商可能需要購買新設(shè)備了，比如人盡皆知的極紫外（EUV）光刻機(jī)，以及新的沉積、蝕刻和檢驗(yàn)/計(jì)量技術(shù)和設(shè)備等。

不用說，此時(shí)的設(shè)計(jì)和制造成本都可能是一筆天文數(shù)字。據(jù)IBS稱，3nm芯片的設(shè)計(jì)成本約為6.5億美元，而5nm芯片的設(shè)計(jì)成本為4.363億美元，7nm芯片的設(shè)計(jì)成本為2.223億美元。因此，拋開這些節(jié)點(diǎn)去談?wù)撘粋€(gè)芯片的價(jià)格還為時(shí)過早。可以想見，屆時(shí)的芯片價(jià)格將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的高點(diǎn)。

接下來隆重登場(chǎng)的就是3nm及以上芯片制造必不可少的新型極紫外光刻機(jī)，這是一個(gè)技術(shù)難度高且價(jià)格極其昂貴的產(chǎn)品。即便如此，EUV光刻機(jī)還供不應(yīng)求，是不是有些匪夷所思？之所以出現(xiàn)這樣的狀況是有原因的。

多年來，芯片制造商在晶圓廠主要使用基于光學(xué)的193nm光刻機(jī)，在多層圖案技術(shù)的幫助下，芯片制造商可將193nm光刻技術(shù)擴(kuò)展到10nm甚至7nm。但在5nm和3nm節(jié)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)前的光刻技術(shù)基本沒辦法再用了，芯片制造商需要借助新型的EUV光刻技術(shù)，稱為高數(shù)值孔徑EUV（高NA EUV）。這也是EUV光刻機(jī)能夠大顯身手之處。EUV一直是一項(xiàng)難以開發(fā)的技術(shù)，今天，ASML最新的EUV光刻機(jī)使用13.5nm波長(zhǎng)和0.33Na透鏡，能夠以每小時(shí)170片晶圓的吞吐量實(shí)現(xiàn)13nm分辨率。

Globale Market Insight數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，2020年，半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模超過500億美元，預(yù)計(jì)2021年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過8%。集成設(shè)備制造商（IDM）因不斷增加的投資而成為市場(chǎng)的主力，他們?cè)?020年占據(jù)了超過45%的收入份額。而前端半導(dǎo)體制造設(shè)備占據(jù)了超過60%的收入份額；到2027年，其增長(zhǎng)率將達(dá)到9%左右。其中，EUV光刻技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)擴(kuò)張的主力。從ASML公布的第三季度業(yè)績(jī)中可以看到，該公司在第三季度的凈銷售額達(dá)到52億歐元，凈收入為17億歐元。ASML預(yù)計(jì)2021年第四季度凈銷售額將在49億歐元至52億歐元之間。

圖4：全球半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)分布情況（圖源：Global Market Insight）

04. 展望未來

半導(dǎo)體制造并非易事，行業(yè)內(nèi)的每家公司都深知這一點(diǎn)，即使是三星和Intel這樣的大公司也感受到了其中的艱辛。根據(jù)韓國商務(wù)部的報(bào)告，三星的5nm節(jié)點(diǎn)再次陷入困境，良率不足50%。通常，對(duì)于要進(jìn)入大批量制造（HVM）的節(jié)點(diǎn)，良率需要在95%左右。如果達(dá)不到這個(gè)水平，則該節(jié)點(diǎn)的利潤就不會(huì)高。三星在Hwaseong建立的5nm V1產(chǎn)線使用了EUV光刻機(jī)，在工程師的持續(xù)努力下，預(yù)計(jì)產(chǎn)量將有所提高。

今年5月份，IBM公布了其突破性的2nm芯片技術(shù)，作為Intel的親密合作伙伴，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在幾年內(nèi)，也可能在本世紀(jì)后半葉用于芯片的制造。TSMC近期釋放的消息顯示，公司5nm生產(chǎn)能力今年將翻一番，4nm正在提前運(yùn)行，并已于去年11月完成了第一座3nm工廠的建設(shè)。

今年年初，TSMC將其2021年資本支出預(yù)算大幅提升至250億至280億美元，隨后將其進(jìn)一步提升至300億美元左右，作為TSMC在制造能力和研發(fā)上花費(fèi)1000億美元三年計(jì)劃的一部分，其中的80%將用于擴(kuò)大先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)能，如3nm、4nm/5nm和6nm/7nm。不久前，TSMC及其合作伙伴宣布在1nm工藝研究上取得了突破，該研究為1nm及以下的電子制造工藝提供了一條途徑，有助于突破當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)和材料的限制。

故事講到這里，你可能已經(jīng)意識(shí)到，半導(dǎo)體制造業(yè)絕對(duì)是一個(gè)燒錢又燒腦的行當(dāng)。那么，為何它還能夠一路向前持續(xù)發(fā)展呢？說白了，還不是因?yàn)槲覀冞@些消費(fèi)者對(duì)高性能、小尺寸、低功耗電子設(shè)備的無窮無盡的追求么。在工作和生活中，你是否也曾遇到過一些有關(guān)半導(dǎo)體制造的讓人匪夷所思的事，包括技術(shù)、包括花錢......歡迎給我們留言吐槽！

審核編輯 黃昊宇