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进击的中芯国际:挑战7nm

2月份,是国内手机市场的灾难月,苹果销量暴跌50%,华为也出现了销量负增长的情况,全年手机出货量预计下降20%。

同时美国对华为制裁继续升级,将美国部件的比例从实体清单的25%进一步压缩到10%。请注意,这10%的比例是针对古巴、朝鲜、叙利亚的,可见美国人为了打压中国芯片业,已经不惜将华为当作“邪恶轴心”处理。

去年美国对华为的打击几乎无效,反而令美国企业遭受重大损失,让很多国内媒体认为美国人会放弃。然而从现在来看,美国非但不会收手,而且会更加疯狂,直到所有的手段都用尽为止。

想想当年的原子弹,弹道导弹,哪样不是封锁到极致。

这就是美国!

2018年美国找茬制裁中兴开始,中国芯片业就在加速技术换代,2019年,中芯国际、华虹完成14nm制程量产,同时中芯国际以“N+1制程”冲击7nm工艺。

今天咱们就来聊聊中国冲击世界顶尖工艺的那些事儿。

物理的极限

要说清楚中芯国际的努力,咱们要从最基础的部分说起,这就是现代计算机的灵魂——晶体管。

▲ 22nm工艺中的三栅极晶体管

晶体管是包含三极管的,但由于三极管特别重要,所以就拿出来作为代表。我们常说的7nm工艺,14nm工艺,具体什么含义呢?图片上红色的那个部分叫做“栅极”,这个栅极越窄,则芯片功耗越低,同时尺寸也越会缩小。所以芯片界以栅极宽度命名芯片制程。

在电子显微镜下,他是这样子的:

壮观吧。

但是!栅极宽度并不代表一切!栅极之间的距离(gate pitch)和内连接间距(interconnect pitch)也是决定性能的关键要素,这两个距离决定了单位面积内晶体管的数量。比如台积电的7nm和英特尔的10nm名义上差一代,实际上半斤八两。

实际上,英特尔10nm一个单位占面积54*44nm,每平方毫米1.008亿个晶体管;而台积电7nm一个单位占面积57*40nm,每平方毫米1.0123亿个晶体管。两者并没有代差。

作为摩尔定律拥护者的Intel当然是气不过,多次点评批评三星、台积电的“数字美化”行为。

目前半导体制程所谓的10nm 、7nm已经偏离最初的范畴,不再是严格意义上线宽,16nm“优化”一下可以叫12nm,10nm“优化”还可以叫8nm。所以大家关注中芯国际追到什么程度,每平方毫米晶体管数量才是一个更值得关注的指标。

从晶体管诞生之初,人类就千方百计的把他缩到最小,目前最顶尖的7nm工艺在物理上已经接近极限,再缩就拦不住电子“越狱”了(隧穿效应)。最近扰动全世界的新型冠状病毒大约是80nm宽的一个球体。如果他改行当晶体管,那么一定会被市场淘汰出局。

现在大家应该明白了,中芯国际的任务就是把晶体管刻进电路板里,栅极宽度7nm。

挑战7nm就是在挑战物理极限。

这里要说到一个专用工具——光刻机。

光刻机的原理非常简单,简单到初中生都能学会。他其实就是一台大型照相机,紫外光把要雕刻的电路板通过凸透镜打在涂抹了光刻胶的硅晶圆上,将电路印在上边。

难度在哪呢?

一个硅原子的晶胞长度是0.565纳米,7纳米那才几个晶胞那么宽。光刻机必须把华为工程师绘制的电路板精确无误的投到硅晶圆上,不允许有丝毫误差。

因此用于7nm的EUV光刻机必须在真空环境中工作,因为即便空气中没有任何灰尘,气体分子本身也会影响紫外光成像!

作为光刻机核心部件的反射镜,其工艺条件极其苛刻,瑕疵竟然是以皮米计算的!这是什么概念?前边我们刚刚说过,一个硅原子的晶胞长度是0.565纳米,一个硅原子直径0.12纳米。换算成皮米就是120皮米!也就是说,光刻机的透镜是绝对平滑的,连一个硅原子也不能冒出来!

欧美从上世纪90年代开始研发EUV光刻机,原本是用在90nm工艺上的,现在都2020年了,才投入7nm+工艺,可见其难度之大。中国一时追不上,并不丢人。

等等!

2020年以前,7nm工艺的麒麟980是怎么造出来的?

这就是中芯国际现在干的事情。

一杆老枪

制造麒麟980的光刻机并不是最新的EUV,而是现在广泛使用的DUV,又称深紫外线光刻机,与之对应的EUV称为极紫外线光刻机。

台积电第一代7nm,英特尔10nm全部是用DUV做出来的!中芯国际的14nm制程也是用DUV造出来的。也就是说,国际通用的DUV光刻机是一杆老枪,从28nm玩到7nm,统统靠他。所以在芯片制造工具领域,虽然国产光刻机与国际水平差距较大,但拿着进口光刻机的中芯国际没有代差!

不能进口EUV光刻机仅仅会对未来5nm制程产生一定的影响,但绝不会影响我们冲击7nm!在2017年以前,中芯国际拿着进口的枪,但始终没能得到会用枪的人!直到2017年他们挖了个梁孟松。

梁孟松,奇才也!

自从这个人加盟了中芯国际,28nm,14nm,12nm,一步一个脚印的追赶,到今天终于玩起了N+1,向7nm工艺进军。

梁孟松博士则透露,中芯国际的下一代N+1工艺和14nm相比,性能提升了20%,功耗降低了57%,逻辑面积缩小了63%,SoC面积减少了55%。

请大家注意这个表述,逻辑面积缩减63%,SOC面积减少55%。这已经是7nm的技术标准了,只是在性能上稍差了一些。

但是中芯国际没有用7nm,而是用N+1来表述。

我们可以猜测,梁孟松在三星本来就是搞DUV+多重曝光技术的,无论是英特尔的10nm还是台积电的7nm都逃不开这条路线。中芯国际的研发团队根据自身条件,独立研发自己的工艺制程,是很正常的事。其栅极宽度很可能比7nm要稍微宽一点,但三极管的尺寸压缩下来以后,就可以达到目前主流工艺的性能标准了!

这样造出来的芯片,7nm还是10nm已经不那么重要了,那仅仅是一个噱头而已。重要的是在每平方毫米的芯片上塞满1亿个晶体管!至于发热什么的,让华为设计师去解决。

在我们传统的媒体视角里,特别喜欢强调7nm制程,10nm制程,仿佛栅极宽度不够小,芯片就不先进。没有EUV光刻机,我们就造不出7nm。这当然是错误的!

7nm不是一台光刻机,而是背后一整套芯片制作技术。如果你只买回来了机器,而没有掌握其中的技术路线,就等于买回来一堆废铁。对于中国芯片业来说,真正宝贵的并不是那台EUV光刻机,而是行业内顶尖的技术人才。

中芯国际试图进口EUV,看中的是他未来在5nm和2nm制程上的用途,而并非是7nm这一个里程碑。现在买不到,也未必就是个很大的损失。毕竟7nm和5nm都是商业噱头,而且DUV和7nm制程已经可以满足99%的芯片制造,当然也可以满足华为未来数年的需要。至于说发热量大一点,手机重了几克,对用户来说也许还没有屏幕色彩饱和度重要。

中芯国际拿下N+1项目,意味着台积电不仅丢掉了14nm芯片的华为订单,而且还要丢掉7nm的非旗舰机型订单。失去了这么大一笔利润,必然危及5nm工艺的研发。

芯片行业一向是高投入高回报,你别看美国人占据产业链上端,吃专利费,他的利润是建立在全产业上的!只要中国人找到了替代方法,剥离美国人,对方就会陷入利润枯竭,无法研发下一代技术的窘境。华为在5G和通讯技术上的崛起就是走这条路线。

如今中芯国际也在重复昨天的故事,我们摆脱控制的过程,就是对方走向衰落的过程。

只不过老蒋真没想到会这么快!

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