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芯片生产制程的讨论

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做硬件电子的都知道,芯片制程中有28nm14nm之分,芯片制程工艺的具体数值,是评价移动设备性能的关键指标。以高通在2018年年底发布的骁龙855芯片为例,它采用的是7nm制程工艺,集成超过60亿个晶体管,比高通在2017年第一季度推出的骁龙83510nm制程工艺)上的30亿个晶体管数量多了1倍,性能大涨了55%,而芯片体积几乎未变,比直径约1.9厘米的一美分硬币还小:
对于全球大型芯片制造厂商而言,28nm芯片技术已经非常成熟,产能显得有些过剩。而在另一端,10nm以下制程技术则非常尖端,行业玩家只剩下金字塔尖的台积电、三星和英特尔。现在最先进的量产半导体技术应该是是台积电宣称的3nm制程。尽管三星宣称其开始了2nm的研究,但还是在实验室。2022年台积电已经在其台南科学院区举办3nm量产典礼了,开启了3nm制程芯片大规模生产。和5nm相比,3nm制程的逻辑密度增加了60%,在相同的速度下,功耗降低了30%35%。那么台积电3nm会是芯片制程的天花板吗?
其实这个3nm的工艺命名,并不是真实的物理制程,而是制做厂商标称的商业制程而已。从28nm开始,制程的叫法和实际物理长度已经没什么关系了,事实上,随着堆叠技术的发展未来还会出现0.1nm1埃米 2埃米等等,英特尔叫做intel 2 3 等等,它就像4代机5代机那样,只是一个叫法,可以叫任何名称。台积电的工艺虽然被叫做3nm制程,但真实的物理长度远远没有达到3nm。更准确来说,它应该是16nm的实际物理长度。在之前的几十年的集成电路行业发展中,芯片的制程工艺标准,都是用晶体管的栅极长度(Gate Length)来表示的,但随着工艺节点定义的不断变化,现在的制程和真实的物理工艺关系不大了。对于制程命名会脱离真实的物理工艺,其原因一是由于晶体管的物理工艺遭遇到了瓶颈,二是厂商基于商业利益,有宣传的需要。要是按照以前的叫法,台积电宣传的5nm制程和因特尔宣传的10nm制程,实际上都应该是18nm工艺,也就是晶体管的栅极长度(Gate Length)最小值是18nm。但台积电宣传的5nm制程就显得更为高大上,会让大众觉得技术更高超,所以其比因特尔的10nm更容易得到大众的认可,尽管两者在物理工艺技术上是相同的。因特尔实际在14nm的物理工艺上受限了很久,始终不能突破,但是他们那个时候始终坚持物理工艺和制程上面叫法的统一,所以在宣传上就吃亏了。后来因特尔也学聪明了,从2021年宣布将工艺改名和代工厂保持一致,原来的10nmSuperFin改名为Inter7,对应台积电的7nm。原来的7nm改名为Inter4,对应台积电的N4等等。没有在新命名的后面加上nm,这大概就是因特尔最好的倔强了。所以按照现在厂商的叫法,芯片制程的天花板绝对不会仅仅停留在3nm,台积电也表示,最快在2024年低之前,第一座2nm制程就可以投产了。
但是台积电由于受到美国的影响,不会将先进制程为华为生产麒麟芯片的生产,这也导致华为可以设计芯片,但是苦于无公司可以生产的窘境,尽管2020年中芯国际首次宣布14nm芯片研发成功,到如今超预期实现量产,良率高达95%。这标志着中芯国际正式赶超台积电南京12寸厂的16nm制程工艺,追平台联电14nm制程工艺,正式跻身全球晶圆先进制程工艺代工厂的行列,这是中国半导体发展史上的重要里程碑。但是更为先进的半导体制程还是需要不断努力,才不会被卡脖子!华为已经开始自研光刻机,相信不久的将来,光刻机不再受ASML,佳能等大厂的掣肘。

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