莫大康：尺寸縮小仍是主要推動(dòng)力| 求是緣半導(dǎo)體聯(lián)盟

摩爾定律臨近終點(diǎn)，已是不爭(zhēng)的事實(shí)。

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，企業(yè)的自主行為無(wú)可非議，反映盡管尺寸縮小的代價(jià)越來(lái)越高，工藝制程越來(lái)越艱難，但是從市場(chǎng)需求角度出發(fā)，仍是有利可圖。如近期ChatGPT，HPC，CPU，GPU，服務(wù)器等芯片的市場(chǎng)高聳，英偉達(dá)GPU的H100價(jià)格，每片高達(dá)35,000美元，仍供不應(yīng)求，推動(dòng)尺寸縮小繼續(xù)艱難前行。

為什么臺(tái)積電三星及英特爾，全球芯片三雄仍義無(wú)反顧地大舉進(jìn)軍先進(jìn)工藝制程，每年每家投資近300億美元。以下依臺(tái)積電為例來(lái)作個(gè)說(shuō)明:

在45納米時(shí)，臺(tái)積電要達(dá)到貢獻(xiàn)20%的收入，需要爬坡兩年，而28納米時(shí)，同樣貢獻(xiàn)20%營(yíng)收要一年，在7納米時(shí)貢獻(xiàn)20%的收入要大半年，而到5納米時(shí)貢獻(xiàn)它的20%營(yíng)收只要一個(gè)季度。足以表明盡管先進(jìn)工藝制程的投入大，但是由于每個(gè)代工硅片的單價(jià)迅速提升，推動(dòng)其營(yíng)業(yè)收入增長(zhǎng)。

今年臺(tái)積電第一代3納米制程其最大客戶是蘋果A17處理器。臺(tái)積電指出，N3制程需求強(qiáng)勁，并會(huì)在下半年大幅成長(zhǎng)，將支援HPC及智慧型手機(jī)平臺(tái)，預(yù)期將占2023年晶圓營(yíng)收比重4～6％。

英特爾中國(guó)區(qū)總裁兼董事長(zhǎng)王銳在2023年三月的一次活動(dòng)中表示，公司已完成Intel 18A（1.8nm）和Intel 20A（2nm） 制造工藝的開發(fā)。其中，Intel 20A計(jì)劃于2024年上半年投入使用，進(jìn)展良好的Intel 18A制造技術(shù)也將提前到2024年下半年進(jìn)入大批量制造（HVM）。上述制程或?qū)⒂胁糠掷肏igh-NA EUV光刻機(jī)。

依臺(tái)積電2022年?duì)I收750億美元計(jì)，它的5納米營(yíng)收占26%，為195億美元及7納米占27%為202億美元。

 定律仍艱難緩行  

業(yè)界對(duì)于定律終止的討論，各有所見，由于站立的角度不同，難分伯仲。

一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，投資越來(lái)越大，已到咋舌地步。

隨著 2013年 FinFET 晶體管的推出，芯片設(shè)計(jì)成本開始飆升，近年來(lái)隨著 7 納米和 5 納米級(jí)工藝技術(shù)的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)成本奇高。據(jù)國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略 (IBS) 最近發(fā)布了有關(guān) 2nm 級(jí)芯片設(shè)計(jì)費(fèi)用的預(yù)估，相當(dāng)大的 2nm 芯片的開發(fā)總計(jì)將達(dá)到 7.25 億美元。

媒體The Information認(rèn)為，臺(tái)積電在 2025 年下半年開始量產(chǎn)時(shí)，每片 N2 晶圓的代工收費(fèi)將達(dá)到 24,570 美元，與 N3 相比上漲近 25%。

另外，從臺(tái)積電在美國(guó)投資建廠資料，已從原來(lái)的120億增至400億美元，共建兩條線，總計(jì)月產(chǎn)能5萬(wàn)片，計(jì)劃從2024年開始4納米量產(chǎn)啟步，現(xiàn)在推遲至2025年，并計(jì)劃在2026年開始3納米實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

業(yè)內(nèi)認(rèn)為當(dāng)高數(shù)值孔徑NA 0.55 EUV光刻機(jī)每臺(tái)售價(jià)超過(guò)3億美元在2納米及以下生產(chǎn)線中導(dǎo)入時(shí)，其生產(chǎn)線每萬(wàn)片投資將高達(dá)160億美元。

一個(gè)不可否認(rèn)的現(xiàn)實(shí)進(jìn)入3納米級(jí)后，由于芯片制造過(guò)程中的隨機(jī)誤差增多，成品率下降，剛開始時(shí)50%左右，現(xiàn)階段才剛達(dá)到約80%。

 尺寸縮小歷程  

業(yè)界公認(rèn)推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步有兩個(gè)“輪子”，一個(gè)是尺寸縮小，另一個(gè)是硅片直徑增大，不容懷疑依尺寸縮小為主，原因是硅片直徑的增大，涉及的因素太多，投資太大。在2000年左右開始導(dǎo)入12英寸硅片，目前已經(jīng)逐漸成為主流，占硅片總量約60%，下一步18英寸硅片尚無(wú)聲息。

半導(dǎo)體的尺寸正以每代縮小70%的規(guī)律進(jìn)步。從90nm，65nm，45nm，推進(jìn)到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。業(yè)內(nèi)有個(gè)通用說(shuō)法，基本上沿著每?jī)赡昵斑M(jìn)一個(gè)工藝臺(tái)階，現(xiàn)階段已達(dá)3納米。

之前晶體管的特征尺寸與柵長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，然后從28納米后釆用3D finfet結(jié)構(gòu)，實(shí)際上已與柵長(zhǎng)無(wú)關(guān)，顯然由于各家都自定義工藝尺寸，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)誰(shuí)占先的爭(zhēng)論有時(shí)會(huì)發(fā)生。

另外較為關(guān)鍵的工藝節(jié)點(diǎn)，2013年英特爾首創(chuàng)3D finfet結(jié)構(gòu)，晶體管形狀在28/22nm之前是平面的，從16nm開始的FinFET結(jié)構(gòu)和從2nm開始的Gate-All-Around（環(huán)柵GAA）的變化，如果不采用新的結(jié)構(gòu)，就無(wú)法達(dá)到預(yù)期的性能。

另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即便finfet結(jié)構(gòu)到7納米時(shí)，也難前行，必須放棄光學(xué)方法，而采用價(jià)格昂貴的EUV光刻機(jī)設(shè)備輔助，由此表明采用光學(xué)方法，加上多次圖形光刻技術(shù)幫助，其極限工藝尺寸只能實(shí)現(xiàn)7納米。

至少到目前為止，2025年能進(jìn)入2納米，已無(wú)異議，隨后所謂進(jìn)入的1.8納米等，全球有多家半導(dǎo)體巨頭仍有興趣。不管如何硅原子的直徑約0.2納米，到約5個(gè)硅原子厚度，可能是硅基材料的終點(diǎn)。

 光刻機(jī)是攔路虎  

討論半導(dǎo)體業(yè)中的尺寸縮小，無(wú)法繞過(guò)光刻機(jī)的進(jìn)步。

一代器件，一代工藝，一代設(shè)備，半導(dǎo)體設(shè)備處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，具有舉足輕重的地位。如果缺乏設(shè)備的輔助，工藝進(jìn)步將成為“無(wú)根之木”。

為什么美國(guó)早在幾年之前就控制中芯國(guó)際的首臺(tái)EUV出口，是早有預(yù)謀，試圖將中國(guó)大陸的芯片制程牢牢地鎖死在7納米水平。這樣未來(lái)與臺(tái)積電等的工藝差距越來(lái)越大，其招數(shù)可以說(shuō)是十分兇狠的。

在眾多半導(dǎo)體設(shè)備中光刻機(jī)可能是最難啃的設(shè)備，難度極大，涉及產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)因?yàn)樗谡麄€(gè)芯片制造中，占用約40%-50%的工藝時(shí)間，及約占30%的芯片制造成本。

光刻設(shè)備中，光源的波長(zhǎng)將直接影響到分辨率，因此業(yè)內(nèi)不斷地縮短光源波長(zhǎng)，從G線的436nm，I線的365nm，KrF的248nm，及ArF的193nm，如果在硅片與鏡頭之間加上水介質(zhì)，即成為193nm浸液式光刻機(jī)，可以等效成波長(zhǎng)134nm，直接跳過(guò)157nm所謂光學(xué)波長(zhǎng)的極限。再往下走只能采用EUV光源，波長(zhǎng)為13.4nm，第一代數(shù)值孔徑為0.33，即便同樣采用多次曝光技術(shù)，其極限尺寸約為3nm，因此目前業(yè)界急待0.55的高數(shù)值孔徑EUV設(shè)備到來(lái)，預(yù)計(jì)2024年ASML推出，至2025-2026年進(jìn)入2納米及以下制程使用。

結(jié)語(yǔ) 

推動(dòng)全球半導(dǎo)體業(yè)進(jìn)步，尺寸縮小仍是主力，然而由于客觀規(guī)律，定律終將接近終點(diǎn)，尺寸縮小的時(shí)程會(huì)增長(zhǎng)，但是不會(huì)阻礙產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，近期ChatGPT紅火，加上Chiplet及先進(jìn)封裝等綜效，預(yù)期全球半導(dǎo)體業(yè)至2030年時(shí)可達(dá)萬(wàn)億美元。

在市場(chǎng)需求方面，臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音稱，臺(tái)積電3nm制程市場(chǎng)需求非常強(qiáng)勁，可能已有9家客戶，3nm制程量產(chǎn)今年開始，蘋果是它的客戶，每年帶來(lái)的收入都會(huì)大于同期的5nm。根據(jù)估計(jì)，3nm制程量產(chǎn)的5年內(nèi)，將會(huì)釋放全世界1 .5萬(wàn)億美元的終端產(chǎn)品價(jià)值。

莫大康：浙江大學(xué)校友，求是緣半導(dǎo)體聯(lián)盟顧問。親歷50年中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程的著名學(xué)者、行業(yè)評(píng)論家。