進(jìn)擊的中芯國(guó)際：挑戰(zhàn)7nm！
來源公眾號(hào)：蔣校長(zhǎng)
已獲轉(zhuǎn)載授權(quán)
2月份，是國(guó)內(nèi)手機(jī)市場(chǎng)的災(zāi)難月，蘋果銷量暴跌50%，華為也出現(xiàn)了銷量負(fù)增長(zhǎng)的情況，全年手機(jī)出貨量預(yù)計(jì)下降20%。
同時(shí)美國(guó)對(duì)華為制裁繼續(xù)升級(jí)，將美國(guó)部件的比例從實(shí)體清單的25%進(jìn)一步壓縮到10%。請(qǐng)注意，這10%的比例是針對(duì)古巴、朝鮮、敘利亞的，可見美國(guó)人為了打壓中國(guó)芯片業(yè)，已經(jīng)不惜將華為當(dāng)作“邪惡軸心”處理。
去年美國(guó)對(duì)華為的打擊幾乎無效，反而令美國(guó)企業(yè)遭受重大損失，讓很多國(guó)內(nèi)媒體認(rèn)為美國(guó)人會(huì)放棄。然而從現(xiàn)在來看，美國(guó)非但不會(huì)收手，而且會(huì)更加瘋狂，直到所有的手段都用盡為止。
想想當(dāng)年的原子彈，彈道導(dǎo)彈，哪樣不是封鎖到極致。
這就是美國(guó)！
2018年美國(guó)找茬制裁中興開始，中國(guó)芯片業(yè)就在加速技術(shù)換代，2019年，中芯國(guó)際、華虹完成14nm制程量產(chǎn)，同時(shí)中芯國(guó)際以“N+1制程”沖擊7nm工藝。
今天咱們就來聊聊中國(guó)沖擊世界頂尖工藝的那些事兒。
物理的極限
要說清楚中芯國(guó)際的努力，咱們要從最基礎(chǔ)的部分說起，這就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的靈魂——晶體管。
▲ 22nm工藝中的三柵極晶體管
晶體管是包含三極管的，但由于三極管特別重要，所以就拿出來作為代表。我們常說的7nm工藝，14nm工藝，具體什么含義呢？圖片上紅色的那個(gè)部分叫做“柵極”，這個(gè)柵極越窄，則芯片功耗越低，同時(shí)尺寸也越會(huì)縮小。所以芯片界以柵極寬度命名芯片制程。
在電子顯微鏡下，他是這樣子的：
壯觀吧。
但是！柵極寬度并不代表一切！柵極之間的距離（gate pitch）和內(nèi)連接間距（interconnect pitch）也是決定性能的關(guān)鍵要素，這兩個(gè)距離決定了單位面積內(nèi)晶體管的數(shù)量。比如臺(tái)積電的7nm和英特爾的10nm名義上差一代，實(shí)際上半斤八兩。
實(shí)際上，英特爾10nm一個(gè)單位占面積54*44nm，每平方毫米1.008億個(gè)晶體管；而臺(tái)積電7nm一個(gè)單位占面積57*40nm，每平方毫米1.0123億個(gè)晶體管。兩者并沒有代差。
作為摩爾定律擁護(hù)者的Intel當(dāng)然是氣不過，多次點(diǎn)評(píng)批評(píng)三星、臺(tái)積電的“數(shù)字美化”行為。
目前半導(dǎo)體制程所謂的10nm 、7nm已經(jīng)偏離最初的范疇，不再是嚴(yán)格意義上線寬，16nm“優(yōu)化”一下可以叫12nm，10nm“優(yōu)化”還可以叫8nm。所以大家關(guān)注中芯國(guó)際追到什么程度，每平方毫米晶體管數(shù)量才是一個(gè)更值得關(guān)注的指標(biāo)。
從晶體管誕生之初，人類就千方百計(jì)的把他縮到最小，目前最頂尖的7nm工藝在物理上已經(jīng)接近極限，再縮就攔不住電子“越獄”了（隧穿效應(yīng)）。最近擾動(dòng)全世界的新型冠狀病毒大約是80nm寬的一個(gè)球體。如果他改行當(dāng)晶體管，那么一定會(huì)被市場(chǎng)淘汰出局。
現(xiàn)在大家應(yīng)該明白了，中芯國(guó)際的任務(wù)就是把晶體管刻進(jìn)電路板里，柵極寬度7nm。
挑戰(zhàn)7nm就是在挑戰(zhàn)物理極限。
這里要說到一個(gè)專用工具——光刻機(jī)。
光刻機(jī)的原理非常簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到初中生都能學(xué)會(huì)。他其實(shí)就是一臺(tái)大型照相機(jī)，紫外光把要雕刻的電路板通過凸透鏡打在涂抹了光刻膠的硅晶圓上，將電路印在上邊。
難度在哪呢？
一個(gè)硅原子的晶胞長(zhǎng)度是0.565納米，7納米那才幾個(gè)晶胞那么寬。光刻機(jī)必須把華為工程師繪制的電路板精確無誤的投到硅晶圓上，不允許有絲毫誤差。
因此用于7nm的EUV光刻機(jī)必須在真空環(huán)境中工作，因?yàn)榧幢憧諝庵袥]有任何灰塵，氣體分子本身也會(huì)影響紫外光成像！
作為光刻機(jī)核心部件的反射鏡，其工藝條件極其苛刻，瑕疵竟然是以皮米計(jì)算的！這是什么概念？前邊我們剛剛說過，一個(gè)硅原子的晶胞長(zhǎng)度是0.565納米，一個(gè)硅原子直徑0.12納米。換算成皮米就是120皮米！也就是說，光刻機(jī)的透鏡是絕對(duì)平滑的，連一個(gè)硅原子也不能冒出來！
歐美從上世紀(jì)90年代開始研發(fā)EUV光刻機(jī)，原本是用在90nm工藝上的，現(xiàn)在都2020年了，才投入7nm+工藝，可見其難度之大。中國(guó)一時(shí)追不上，并不丟人。
等等！
2020年以前，7nm工藝的麒麟980是怎么造出來的？
這就是中芯國(guó)際現(xiàn)在干的事情。
一桿老槍
制造麒麟980的光刻機(jī)并不是最新的EUV，而是現(xiàn)在廣泛使用的DUV，又稱深紫外線光刻機(jī)，與之對(duì)應(yīng)的EUV稱為極紫外線光刻機(jī)。
臺(tái)積電第一代7nm，英特爾10nm全部是用DUV做出來的！中芯國(guó)際的14nm制程也是用DUV造出來的。也就是說，國(guó)際通用的DUV光刻機(jī)是一桿老槍，從28nm玩到7nm，統(tǒng)統(tǒng)靠他。所以在芯片制造工具領(lǐng)域，雖然國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)與國(guó)際水平差距較大，但拿著進(jìn)口光刻機(jī)的中芯國(guó)際沒有代差！
不能進(jìn)口EUV光刻機(jī)僅僅會(huì)對(duì)未來5nm制程產(chǎn)生一定的影響，但絕不會(huì)影響我們沖擊7nm！在2017年以前，中芯國(guó)際拿著進(jìn)口的槍，但始終沒能得到會(huì)用槍的人！直到2017年他們挖了個(gè)梁孟松。
梁孟松，奇才也！
自從這個(gè)人加盟了中芯國(guó)際，28nm，14nm，12nm，一步一個(gè)腳印的追趕，到今天終于玩起了N+1，向7nm工藝進(jìn)軍。
梁孟松博士則透露，中芯國(guó)際的下一代N+1工藝和14nm相比，性能提升了20%，功耗降低了57%，邏輯面積縮小了63%，SoC面積減少了55%。
請(qǐng)大家注意這個(gè)表述，邏輯面積縮減63%，SOC面積減少55%。這已經(jīng)是7nm的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)了，只是在性能上稍差了一些。
但是中芯國(guó)際沒有用7nm，而是用N+1來表述。
我們可以猜測(cè)，梁孟松在三星本來就是搞DUV+多重曝光技術(shù)的，無論是英特爾的10nm還是臺(tái)積電的7nm都逃不開這條路線。中芯國(guó)際的研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)自身?xiàng)l件，獨(dú)立研發(fā)自己的工藝制程，是很正常的事。其柵極寬度很可能比7nm要稍微寬一點(diǎn)，但三極管的尺寸壓縮下來以后，就可以達(dá)到目前主流工藝的性能標(biāo)準(zhǔn)了！
這樣造出來的芯片，7nm還是10nm已經(jīng)不那么重要了，那僅僅是一個(gè)噱頭而已。重要的是在每平方毫米的芯片上塞滿1億個(gè)晶體管！至于發(fā)熱什么的，讓華為設(shè)計(jì)師去解決。
在我們傳統(tǒng)的媒體視角里，特別喜歡強(qiáng)調(diào)7nm制程，10nm制程，仿佛柵極寬度不夠小，芯片就不先進(jìn)。沒有EUV光刻機(jī)，我們就造不出7nm。這當(dāng)然是錯(cuò)誤的！
7nm不是一臺(tái)光刻機(jī)，而是背后一整套芯片制作技術(shù)。如果你只買回來了機(jī)器，而沒有掌握其中的技術(shù)路線，就等于買回來一堆廢鐵。對(duì)于中國(guó)芯片業(yè)來說，真正寶貴的并不是那臺(tái)EUV光刻機(jī)，而是行業(yè)內(nèi)頂尖的技術(shù)人才。
中芯國(guó)際試圖進(jìn)口EUV，看中的是他未來在5nm和2nm制程上的用途，而并非是7nm這一個(gè)里程碑?，F(xiàn)在買不到，也未必就是個(gè)很大的損失。畢竟7nm和5nm都是商業(yè)噱頭，而且DUV和7nm制程已經(jīng)可以滿足99%的芯片制造，當(dāng)然也可以滿足華為未來數(shù)年的需要。至于說發(fā)熱量大一點(diǎn)，手機(jī)重了幾克，對(duì)用戶來說也許還沒有屏幕色彩飽和度重要。
中芯國(guó)際拿下N+1項(xiàng)目，意味著臺(tái)積電不僅丟掉了14nm芯片的華為訂單，而且還要丟掉7nm的非旗艦機(jī)型訂單。失去了這么大一筆利潤(rùn)，必然危及5nm工藝的研發(fā)。
芯片行業(yè)一向是高投入高回報(bào)，你別看美國(guó)人占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈上端，吃專利費(fèi)，他的利潤(rùn)是建立在全產(chǎn)業(yè)上的！只要中國(guó)人找到了替代方法，剝離美國(guó)人，對(duì)方就會(huì)陷入利潤(rùn)枯竭，無法研發(fā)下一代技術(shù)的窘境。華為在5G和通訊技術(shù)上的崛起就是走這條路線。
如今中芯國(guó)際也在重復(fù)昨天的故事，我們擺脫控制的過程，就是對(duì)方走向衰落的過程。
只不過我真沒想到會(huì)這么快！
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