不仅烧脑，而且烧钱！半导体制造业，缘何还能一路向前？

M1芯片是苹果公司专为Mac笔记本电脑打造的芯片。不到一年的时间，苹果公司再次推出一款基于M1的新一代突破性芯片，称为M1 Pro和M1 Max，并用在新推出的MacBook Pro笔记本电脑中。

根据苹果公司的介绍，M1 Pro和M1 Max的中央处理器运行速度比M1提升了70%。两款芯片均基于台积电（TSMC）的5nm工艺，其中，M1 Pro封装了337亿个晶体管，是M1的2倍多，内含10核CPU（包括8个高性能内核和2个高效内核）、16核GPU以及其他功能。M1 Max与M1 Pro具有相同的10核CPU，并添加了32核GPU，M1 Max晶体管数量更是高达570亿个。


图1：M1的性能是市场上同期产品的2倍，而功耗却低很多（图源：Apple官网）

细心的朋友可能已经注意到，无论是一年前推出的M1还是现在的M1 Pro和M1 Max，均基于TSMC的5nm工艺。我们可以理解：这三款芯片所具有的高性能，首先得益于苹果公司本身超强的设计能力，其次就必须要感谢TSMC先进的5nm工艺制程了。

其实，早在2020年中期，TSMC就开始使用N5（5纳米）工艺技术进行芯片大批量制造（HVM）的公司，而苹果公司就是TSMC在该技术节点的alpha客户。

接下来，TSMC将开始使用其N5技术的性能增强版N5P制造芯片，该技术承诺，在相同的复杂度下，芯片性能将提高5%，而功耗降低10%。TSMC还保证，N5的早期采用者可以将其IP重新用于N5P芯片。届时，相信苹果公司的M1系列芯片的性能还会有很大的提升。由此可见，先进的半导体制造工艺制程在提升芯片的性能方面正在发挥越来越关键的作用。

01. 如何定义工艺制程节点？

大约从20世纪60年代到90年代末，工艺节点的名称主要对应制造工艺中晶体管的栅极长度（Gate Length），也就是说，此时的工艺节点数字基本代表了芯片中晶体管的尺寸。最常见的情况是用微米而不是纳米（nm）来表示制程节点，例如0.18微米或0.13微米，而不是180nm或130nm。图2是IEEE给出的具体对应关系：


图2：1992年至2009年期间，工艺节点与栅极长度的对应关系（图源：IEEE）

后来，也许是出于市场营销的考虑，半导体工艺制程节点开始以数字命名，比如32nm、22nm、14nm、7nm、5nm等等，都是近些年大家耳熟能详的制程节点的名称。

02. 工艺制程节点的演进

根据摩尔定律，芯片上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这期间，伴随着集成电路（IC）设计水平的提高，半导体制造工艺也得到了快速发展。

在半导体制造演进过程中，45nm堪称具有划时代意义的一个工艺制程节点，它的问世使得CPU的性能有了跳跃式的提升。时至今日，45nm工艺依然在IC制造业中扮演着重要角色。

当工艺制程进入到45nm以下级别时，随着晶体管尺寸的不断缩小，一项必备的新技术——HKMG（high-k绝缘层+金属栅极）诞生了。在制作HKMG结构晶体管的工艺上，业内形成了两大阵营，一个是以IBM为代表的Gate-first（先栅极）工艺阵营，另一个是以Intel为代表的Gate-last（后栅极）工艺阵营。Gate-first工艺的支持者主要是以IBM为首的芯片制造技术联盟Fishkill Alliance成员，其中包括英飞凌（Infineon）、NEC、GlobalFoundries（GF）、三星（Samsung）、ST以及TOSHIBA等公司。从45nm制程开始，Intel便一直坚持在制作HKMG晶体管时采用Gate-last工艺，代工业的翘楚TSMC后来也加入到这一阵营，并决定在28nm HKMG制程产品中采用Gate-last工艺。

45nm之后，28nm是半导体工艺制程发展过程中又一个极其关键的节点。在28nm这个工艺节点上，芯片的性能与成本之间几乎达到了完美的平衡。在制造工艺上，28nm工艺承袭了上述两大技术路线，即TSMC使用28nm的Gate-last工艺，而三星和GF使用的是Gate-first工艺。

在半导体制造领域，最不缺乏的就是创新，接下来出场的FinFET堪称行业中一个里程碑式技术。FinFET首次把芯片中晶体管的结构从2D变为3D，即把2D构造的MOSFET变成了3D的FinFET。FinFET因此成为将晶体管栅极长度缩小到20nm以下的关键技术。


图3：3D FinFET结构示意图（图源：网络）

FinFET全称Fin Field-Effect Transistor（鳍式场效应晶体管），是一种新的互补式金氧半导体晶体管，据称它的命名是因为晶体管的形状类似鱼鳍而得来。该技术的发明者胡正明教授及其团队于1998年成功制造出业界第一个n型FinFET，其栅极长度只有17nm，沟道宽度20nm，鳍的高度50nm。Intel在22nm工艺节点开始采用FinFET技术，很多公司则选择在14/16nm节点上使用。

智能手机、HPC、物联网和汽车相关应用对性能、尺寸和功耗的追求，不断激励着半导体制造行业技术人员的创新活力。一方面，先进的工艺制程代表着半导体制造业不断创新的能力和技术水准。另一方面，采用先进的工艺制程能够大幅提升代工企业的营收也是一个不争的事实，也许这才是企业不断谋求创新的源动力。

根据TSMC最新公布的2021年第三季度财报，该公司第三季度收入为148.8亿美元，同比增长22.6%，比上一季度增长12.0%。本季度毛利率为51.3%，营业利润率为41.2%，净利润率为37.7%。第三季度，5nm的出货量占晶圆总收入的18%，7nm占34%，也就是说7nm及更先进的技术占到总收入的52%。据TSMC副总裁兼首席财务官黄文德（Wendell Huang）透露，进入2021年第四季度，预计行业对领先的5nm技术的需求将更加强劲。

03. 迈向3nm及以上的制程

从3nm节点开始，业界希望能从今天的FinFET晶体管过渡到全栅场效应晶体管（GAAFET）。目前的情况是，TSMC和三星在3nm制程节点上走了两个不同的技术路线：三星将部署GAAFET，而TSMC可能在下一代继续使用FinFET。

前文已经有很多内容描述半导体制造工艺的演进路线，我们为什么还要把3nm工艺节点拿出来单独说一说呢？因为在这之后的节点上，芯片制造商可能需要购买新设备了，比如人尽皆知的极紫外（EUV）光刻机，以及新的沉积、蚀刻和检验/计量技术和设备等。

不用说，此时的设计和制造成本都可能是一笔天文数字。据IBS称，3nm芯片的设计成本约为6.5亿美元，而5nm芯片的设计成本为4.363亿美元，7nm芯片的设计成本为2.223亿美元。因此，抛开这些节点去谈论一个芯片的价格还为时过早。可以想见，届时的芯片价格将会达到一个新的高点。

接下来隆重登场的就是3nm及以上芯片制造必不可少的新型极紫外光刻机，这是一个技术难度高且价格极其昂贵的产品。即便如此，EUV光刻机还供不应求，是不是有些匪夷所思？之所以出现这样的状况是有原因的。

多年来，芯片制造商在晶圆厂主要使用基于光学的193nm光刻机，在多层图案技术的帮助下，芯片制造商可将193nm光刻技术扩展到10nm甚至7nm。但在5nm和3nm节点时，当前的光刻技术基本没办法再用了，芯片制造商需要借助新型的EUV光刻技术，称为高数值孔径EUV（高NA EUV）。这也是EUV光刻机能够大显身手之处。EUV一直是一项难以开发的技术，今天，ASML最新的EUV光刻机使用13.5nm波长和0.33Na透镜，能够以每小时170片晶圆的吞吐量实现13nm分辨率。

Globale Market Insight数据报告显示，2020年，半导体制造设备市场规模超过500亿美元，预计2021年至2027年的复合年增长率将超过8%。集成设备制造商（IDM）因不断增加的投资而成为市场的主力，他们在2020年占据了超过45%的收入份额。而前端半导体制造设备占据了超过60%的收入份额；到2027年，其增长率将达到9%左右。其中，EUV光刻技术的进步是推动半导体制造设备市场扩张的主力。从ASML公布的第三季度业绩中可以看到，该公司在第三季度的净销售额达到52亿欧元，净收入为17亿欧元。ASML预计2021年第四季度净销售额将在49亿欧元至52亿欧元之间。


图4：全球半导体制造设备市场分布情况（图源：Global Market Insight）

04. 展望未来

半导体制造并非易事，行业内的每家公司都深知这一点，即使是三星和Intel这样的大公司也感受到了其中的艰辛。根据韩国商务部的报告，三星的5nm节点再次陷入困境，良率不足50%。通常，对于要进入大批量制造（HVM）的节点，良率需要在95%左右。如果达不到这个水平，则该节点的利润就不会高。三星在Hwaseong建立的5nm V1产线使用了EUV光刻机，在工程师的持续努力下，预计产量将有所提高。

今年5月份，IBM公布了其突破性的2nm芯片技术，作为Intel的亲密合作伙伴，预计这项技术将在几年内，也可能在本世纪后半叶用于芯片的制造。TSMC近期释放的消息显示，公司5nm生产能力今年将翻一番，4nm正在提前运行，并已于去年11月完成了第一座3nm工厂的建设。

今年年初，TSMC将其2021年资本支出预算大幅提升至250亿至280亿美元，随后将其进一步提升至300亿美元左右，作为TSMC在制造能力和研发上花费1000亿美元三年计划的一部分，其中的80%将用于扩大先进技术的产能，如3nm、4nm/5nm和6nm/7nm。不久前，TSMC及其合作伙伴宣布在1nm工艺研究上取得了突破，该研究为1nm及以下的电子制造工艺提供了一条途径，有助于突破当前半导体技术和材料的限制。

故事讲到这里，你可能已经意识到，半导体制造业绝对是一个烧钱又烧脑的行当。那么，为何它还能够一路向前持续发展呢？说白了，还不是因为我们这些消费者对高性能、小尺寸、低功耗电子设备的无穷无尽的追求么。在工作和生活中，你是否也曾遇到过一些有关半导体制造的让人匪夷所思的事，包括技术、包括花钱......欢迎给我们留言吐槽！


来源：贸泽电子
作者：Doctor M