莫大康：尺寸縮小仍是主要推動力| 求是緣半導(dǎo)體聯(lián)盟

摩爾定律臨近終點，已是不爭的事實。

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

為什么臺積電三星及英特爾，全球芯片三雄仍義無反顧地大舉進軍先進工藝制程，每年每家投資近300億美元。以下依臺積電為例來作個說明:

在45納米時，臺積電要達(dá)到貢獻20%的收入，需要爬坡兩年，而28納米時，同樣貢獻20%營收要一年，在7納米時貢獻20%的收入要大半年，而到5納米時貢獻它的20%營收只要一個季度。足以表明盡管先進工藝制程的投入大，但是由于每個代工硅片的單價迅速提升，推動其營業(yè)收入增長。

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

英特爾中國區(qū)總裁兼董事長王銳在2023年三月的一次活動中表示，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計劃于2024年上半年投入使用，進展良好的Intel 18A制造技術(shù)也將提前到2024年下半年進入大批量制造（HVM）。上述制程或?qū)⒂胁糠掷肏igh-NA EUV光刻機。

依臺積電2022年營收750億美元計，它的5納米營收占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。

一個不爭的事實，投資越來越大，已到咋舌地步。

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

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

另外，從臺積電在美國投資建廠資料，已從原來的120億增至400億美元，共建兩條線，總計月產(chǎn)能5萬片，計劃從2024年開始4納米量產(chǎn)啟步，現(xiàn)在推遲至2025年，并計劃在2026年開始3納米實現(xiàn)量產(chǎn)。

業(yè)內(nèi)認(rèn)為當(dāng)高數(shù)值孔徑NA 0.55 EUV光刻機每臺售價超過3億美元在2納米及以下生產(chǎn)線中導(dǎo)入時，其生產(chǎn)線每萬片投資將高達(dá)160億美元。

一個不可否認(rèn)的現(xiàn)實進入3納米級后，由于芯片制造過程中的隨機誤差增多，成品率下降，剛開始時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)推動半導(dǎo)體業(yè)進步有兩個“輪子”，一個是尺寸縮小，另一個是硅片直徑增大，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英寸硅片尚無聲息。

半導(dǎo)體的尺寸正以每代縮小70%的規(guī)律進步。從90nm，65nm，45nm，推進到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。業(yè)內(nèi)有個通用說法，基本上沿著每兩年前進一個工藝臺階，現(xiàn)階段已達(dá)3納米。

之前晶體管的特征尺寸與柵長對應(yīng)，然后從28納米后釆用3D finfet結(jié)構(gòu)，實際上已與柵長無關(guān)，顯然由于各家都自定義工藝尺寸，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)誰占先的爭論有時會發(fā)生。

另外較為關(guān)鍵的工藝節(jié)點，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)，就無法達(dá)到預(yù)期的性能。

另一個關(guān)鍵點，即便finfet結(jié)構(gòu)到7納米時，也難前行，必須放棄光學(xué)方法，而采用價格昂貴的EUV光刻機設(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現(xiàn)7納米。

至少到目前為止，2025年能進入2納米，已無異議，隨后所謂進入的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個硅原子厚度，可能是硅基材料的終點。

 光刻機是攔路虎  

討論半導(dǎo)體業(yè)中的尺寸縮小，無法繞過光刻機的進步。

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，工藝進步將成為“無根之木”。

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

在眾多半導(dǎo)體設(shè)備中光刻機可能是最難啃的設(shè)備，難度極大，涉及產(chǎn)業(yè)鏈。同時因為它在整個芯片制造中，占用約40%-50%的工藝時間，及約占30%的芯片制造成本。

光刻設(shè)備中，光源的波長將直接影響到分辨率，因此業(yè)內(nèi)不斷地縮短光源波長，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，可以等效成波長134nm，直接跳過157nm所謂光學(xué)波長的極限。再往下走只能采用EUV光源，波長為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，預(yù)計2024年ASML推出，至2025-2026年進入2納米及以下制程使用。

結(jié)語 

推動全球半導(dǎo)體業(yè)進步，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，尺寸縮小的時程會增長，但是不會阻礙產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進步，近期ChatGPT紅火，加上Chiplet及先進封裝等綜效，預(yù)期全球半導(dǎo)體業(yè)至2030年時可達(dá)萬億美元。

在市場需求方面，臺積電董事長劉德音稱，臺積電3nm制程市場需求非常強勁，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，每年帶來的收入都會大于同期的5nm。根據(jù)估計，3nm制程量產(chǎn)的5年內(nèi)，將會釋放全世界1 .5萬億美元的終端產(chǎn)品價值。

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年中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程的著名學(xué)者、行業(yè)評論家。