知名芯片調(diào)研公司IC Insights曾做過(guò)一個(gè)有趣的估算，如果想追趕上全球最大的晶圓代工廠臺(tái)積電，起碼需要五年時(shí)間外加一萬(wàn)億人民幣。這里追趕的對(duì)象，指的就是臺(tái)積電在芯片先進(jìn)制程上的制造能力。

　　芯片先進(jìn)制程的魔力不需贅述，在技術(shù)上它是手機(jī)、平板、電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵；在經(jīng)濟(jì)價(jià)值上，掌握先進(jìn)制程能力的臺(tái)積電2020年創(chuàng)造了1197.87億元人民幣的凈利潤(rùn)；在戰(zhàn)略重要性層面，芯片已關(guān)系到產(chǎn)業(yè)安全乃至地緣之間的經(jīng)貿(mào)關(guān)系……

　　但有意思的是，事實(shí)上，并非所有芯片工廠都在拼命追求制程。全球前五的晶圓代工廠——臺(tái)積電、三星、聯(lián)電、格羅方德、中芯國(guó)際中，中芯國(guó)際在制程工藝上不停追趕，然而排名三四號(hào)位的聯(lián)電、格羅方德都已幾乎放棄了先進(jìn)制程的研究。

　　聯(lián)電在2018年時(shí)已放棄對(duì)12nm制程的研發(fā)，當(dāng)時(shí)還是全球第二大芯片代工廠的格羅方德也隨后宣布放棄7nmFinFET工藝的研發(fā)。如今，縱觀全球的晶圓代工廠（Foundry）和IDM模式（Integrated Device Manufacture），實(shí)際有能力生產(chǎn)7nm及更小芯片制程的只有臺(tái)積電、三星以及稍后一步的英特爾（7nm已taped-in）。

　　為何各大芯片廠商紛紛放棄對(duì)先進(jìn)制程的研制呢？制程更小的芯片性能就一定更好嗎？這其中其實(shí)有不少門(mén)道。

　　芯片的先進(jìn)制程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把芯片從大做小，具體是指芯片晶體管柵極寬度的大小，數(shù)字越小對(duì)應(yīng)晶體管密度越大， 芯片功耗越低，性能越高，但要實(shí)際做到這一點(diǎn)卻并不容易。從芯片的進(jìn)化歷史來(lái)看，芯片的研發(fā)主要遵循著摩爾定律，即每18個(gè)月到兩年間，芯片的性能會(huì)翻一倍，使一塊芯片內(nèi)裝上盡可能多的晶體管來(lái)提升芯片性能。

　　上個(gè)世紀(jì)80年代，芯片內(nèi)晶體管的大小進(jìn)入微米級(jí)，再到2004年，芯片內(nèi)的晶體管已微縮至納米級(jí)別。此時(shí)，問(wèn)題陸續(xù)出現(xiàn)了，納米級(jí)別的晶體管的集成度和精細(xì)化程度非常高，要知道一個(gè)原子就有0.1nm，在人類物理認(rèn)知極限上的工藝難度可想而知。

　　如今出現(xiàn)的最具代表的兩個(gè)問(wèn)題是短溝道效應(yīng)和量子隧穿難題。短溝道效應(yīng)（short-channel effects）是指“當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度降低到十幾納米、甚至幾納米量級(jí)時(shí)，晶體管出現(xiàn)的一些效應(yīng)”。這些效應(yīng)主要包括“閾值電壓隨著溝道長(zhǎng)度降低而降低、漏致勢(shì)壘降低（Drain-induced barrier lowering）、載流子表面散射、速度飽和（Saturation velocity）、離子化和熱電子效應(yīng)”。

　　被這些復(fù)雜的技術(shù)術(shù)語(yǔ)繞懵了吧，其實(shí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，因?yàn)榫w管是一個(gè)有三個(gè)端口的管子——電子從源端跑到漏端，借此完成信息的傳遞，而決定“跑”的節(jié)奏的是其中的一個(gè)“開(kāi)關(guān)”，也就是柵端。它的開(kāi)關(guān)由端口對(duì)應(yīng)的電壓變化來(lái)決定。

　　而由于大部分時(shí)候電子的速度都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此傳遞信息需要的時(shí)間也就是芯片一定意義上的效率就由管道長(zhǎng)短決定。但是，當(dāng)管道變得很短后，由于尺寸變小，長(zhǎng)溝道時(shí)本可以忽略的電場(chǎng)干擾就變多，導(dǎo)致柵端可能“關(guān)不嚴(yán)”，也就是所謂的短溝道效應(yīng)。

　　短溝道效應(yīng)對(duì)納米級(jí)芯片造成的影響就是，因?yàn)楣茏庸懿蛔‰?，所以只要一通電，芯片?nèi)的晶體管就會(huì)不停漏電，導(dǎo)致芯片發(fā)熱和功耗嚴(yán)重，進(jìn)而影響使用壽命。

　　直到1999年胡正明教授發(fā)明了鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Fin Field-Effect Transistor，簡(jiǎn)稱FinFET）—— FinFET可以理解為加強(qiáng)柵對(duì)溝道的控制能力，從而減小短溝道效應(yīng)。由此才在一定程度上延緩了這個(gè)問(wèn)題的辦法，如今臺(tái)積電、三星能做到5nm/7nm都依賴此項(xiàng)技術(shù)。

　　胡正明教授

　　但是到了3nm階段，F(xiàn)inFET的三面柵的控制作用減弱，短溝道效應(yīng)再次凸顯。

　　直到下一世代的晶體管結(jié)構(gòu)即所謂Gate-All-Around環(huán)繞式柵極技術(shù)（簡(jiǎn)稱為GAA結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)，問(wèn)題才得以緩解。它可以簡(jiǎn)單理解為溝道被柵極四面包裹，從而降低操作電壓、減少漏電，降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度，從而繼續(xù)為摩爾定律續(xù)命。如今三星的3nm和臺(tái)積電的2nm都已采用該技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

　　三星技術(shù)路線圖

　　然而，當(dāng)制程繼續(xù)往下走時(shí)，又一個(gè)難題出現(xiàn)在眼前——量子隧穿效應(yīng)帶來(lái)的漏電流。該原理已涉及到量子力學(xué)相關(guān)理論，可以簡(jiǎn)單理解為當(dāng)材料逼近1nm的物理極限時(shí)，有一定的電子可以跨過(guò)勢(shì)壘，從而漏電。這個(gè)問(wèn)題對(duì)于人類來(lái)說(shuō)暫時(shí)是無(wú)解的，因?yàn)槲锢砝碚撨€沒(méi)有搞清楚這個(gè)現(xiàn)象。

　　可以說(shuō)不管是FinFET結(jié)構(gòu)還是GAA結(jié)構(gòu)，都是人類通過(guò)工藝手段來(lái)逼近自己的理論極限，但實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一件無(wú)比困難的事情，不僅技術(shù)難度陡然劇增，工藝成本也讓一般的芯片企業(yè)望洋興嘆。

　　據(jù)SEMI國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的芯片主流設(shè)計(jì)成本模型圖，采用FinFET工藝的5nm芯片設(shè)計(jì)成本已是28nm工藝設(shè)計(jì)成本的近8倍，更復(fù)雜的GAA結(jié)構(gòu)耗費(fèi)的設(shè)計(jì)成本只會(huì)更多，這僅僅只是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，晶圓代工廠實(shí)際研發(fā)技術(shù)、建廠、買(mǎi)生產(chǎn)設(shè)備耗費(fèi)的資金會(huì)更多，如今年三星在美國(guó)得克薩斯州計(jì)劃新建的5nm晶圓廠預(yù)計(jì)投資170億美金。

　　來(lái)源：SEMI

　　對(duì)臺(tái)積電和三星來(lái)說(shuō)投資數(shù)百億美金來(lái)建造一座先進(jìn)制程的晶圓廠是可以承受的，因?yàn)樗鼈円延蟹€(wěn)定的客戶訂單和巨大芯片銷(xiāo)量來(lái)分擔(dān)成本，但對(duì)于制程相對(duì)落后者來(lái)說(shuō)，這是難以承受的。

　　從成本上它們技術(shù)不成熟，還需要花更多的時(shí)間、資金成本來(lái)突破新技術(shù)；芯片質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，即便強(qiáng)如三星在生產(chǎn)采用5nm芯片的高通驍龍888時(shí)，也遭外界詬病功耗“翻車(chē)”、發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題，后來(lái)者更難在開(kāi)始階段就保證芯片的良品率和性能；從客戶上來(lái)說(shuō)，采用價(jià)格更高的先進(jìn)制程的客戶有限，近來(lái)手機(jī)、平板、PC等消費(fèi)電子已增長(zhǎng)趨緩，在存量市場(chǎng)下新入局者如非價(jià)格和性能上更優(yōu)，沒(méi)有機(jī)會(huì)能爭(zhēng)奪過(guò)三星和臺(tái)積電的客戶，況且這些老牌霸主先進(jìn)制程的研發(fā)成本已被巨額銷(xiāo)量所稀釋，成本只會(huì)更低。

　　況且，現(xiàn)今全球的缺芯潮缺的更多是成熟制程的芯片。以汽車(chē)行業(yè)為例，目前緊缺的為MCU芯片（Microcontroller Unit，微控制器），汽車(chē)的ESP車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)和ECU電子控制單元等都需要用到這種芯片，它主要由8英寸晶圓生產(chǎn)，芯片的制程普遍在45-130nm之間。

　　28nm及以上的芯片工藝都可以叫做成熟制程，整個(gè)業(yè)界技術(shù)非常成熟了，廠家對(duì)芯片的成本控制也不會(huì)相差太多，三星、臺(tái)積電在該領(lǐng)域?qū)β?lián)電、中芯國(guó)際來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。如今，成熟制程芯片極缺，只要有晶圓代工廠有產(chǎn)能就不愁銷(xiāo)售不出去，完全不會(huì)遇到先進(jìn)制程中的種種問(wèn)題，對(duì)格羅方德和聯(lián)電來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在投資先進(jìn)制程可以說(shuō)是吃力不討好的事情，兩家廠商最近紛紛擴(kuò)產(chǎn)的也都是成熟制程晶圓廠。

　　在更廣闊的領(lǐng)域，如工業(yè)以及軍事領(lǐng)域，先進(jìn)制程芯片反而沒(méi)有成熟制程芯片可靠。先進(jìn)制程可以理解為同樣功耗、尺寸下可以獲得更好的性能，但在工業(yè)以及軍事領(lǐng)域，對(duì)芯片的功耗、發(fā)熱和占用面積上并沒(méi)有手機(jī)、平板那么苛刻，它們更關(guān)注的是芯片在各類極端環(huán)境下的可靠性和耐久度。

　　如，民用芯片、工業(yè)芯片和軍用芯片所要求的正常工作的溫度范圍就有很大不同。民用級(jí)要求0℃~70℃、工業(yè)級(jí)要求-40℃~85℃、軍用級(jí)要求-55℃~125℃，這僅僅是溫度這一項(xiàng)指標(biāo)，工業(yè)、軍用級(jí)芯片還有抗干擾、抗沖擊乃至航空航天級(jí)別的抗輻射等等要求，這些反而是更精密、更細(xì)小的先進(jìn)制程芯片所難以達(dá)到的。

　　先進(jìn)制程雖好，但實(shí)現(xiàn)難度既艱難適用范圍也有其局限性。雖然今天芯片已經(jīng)成了老百姓都在關(guān)心的話題，而且人們天天討論的往往都是誰(shuí)達(dá)到了幾納米，誰(shuí)停留在幾納米，但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜而龐大的芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，制程并不是衡量芯片價(jià)值的唯一標(biāo)準(zhǔn)。