莫大康：尺寸縮小仍是主要推動(dòng)力| 求是緣半導體聯(lián)盟

摩爾定律臨近終點(diǎn)，已是不爭的事實(shí)。

市場(chǎng)經(jīng)濟下，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GPU的H100價(jià)格，每片高達35,000美元，仍供不應求，推動(dòng)尺寸縮小繼續艱難前行。

為什么臺積電三星及英特爾，全球芯片三雄仍義無(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。以下依臺積電為例來(lái)作個(gè)說(shuō)明:

在45納米時(shí)，臺積電要達到貢獻20%的收入，需要爬坡兩年，而28納米時(shí)，同樣貢獻20%營(yíng)收要一年，在7納米時(shí)貢獻20%的收入要大半年，而到5納米時(shí)貢獻它的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(cháng)。

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

英特爾中國區總裁兼董事長(cháng)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(kāi)發(fā)。其中，Intel 20A計劃于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）。上述制程或將有部分利用High-NA EUV光刻機。

依臺積電2022年營(yíng)收750億美元計，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)界對于定律終止的討論，各有所見(jiàn)，由于站立的角度不同，難分伯仲。

一個(gè)不爭的事實(shí)，投資越來(lái)越大，已到咋舌地步。

隨著(zhù) 2013年 FinFET 晶體管的推出，芯片設計成本開(kāi)始飆升，近年來(lái)隨著(zhù) 7 納米和 5 納米級工藝技術(shù)的發(fā)展，芯片設計成本奇高。據國際商業(yè)戰略 (IBS) 最近發(fā)布了有關(guān) 2nm 級芯片設計費用的預估，相當大的 2nm 芯片的開(kāi)發(fā)總計將達到 7.25 億美元。

媒體The Information認為，臺積電在 2025 年下半年開(kāi)始量產(chǎn)時(shí)，每片 N2 晶圓的代工收費將達到 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(chǎng)資料，已從原來(lái)的120億增至400億美元，共建兩條線(xiàn)，總計月產(chǎn)能5萬(wàn)片，計劃從2024年開(kāi)始4納米量產(chǎn)啟步，現在推遲至2025年，并計劃在2026年開(kāi)始3納米實(shí)現量產(chǎn)。

業(yè)內認為當高數值孔徑NA 0.55 EUV光刻機每臺售價(jià)超過(guò)3億美元在2納米及以下生產(chǎn)線(xiàn)中導入時(shí)，其生產(chǎn)線(xiàn)每萬(wàn)片投資將高達160億美元。

一個(gè)不可否認的現實(shí)進(jìn)入3納米級后，由于芯片制造過(guò)程中的隨機誤差增多，成品率下降，剛開(kāi)始時(shí)50%左右，現階段才剛達到約80%。

 尺寸縮小歷程  

業(yè)界公認推動(dòng)半導體業(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(kāi)始導入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。

半導體的尺寸正以每代縮小70%的規律進(jìn)步。從90nm，65nm，45nm，推進(jìn)到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。業(yè)內有個(gè)通用說(shuō)法，基本上沿著(zhù)每?jì)赡昵斑M(jìn)一個(gè)工藝臺階，現階段已達3納米。

之前晶體管的特征尺寸與柵長(cháng)對應，然后從28納米后釆用3D finfet結構，實(shí)際上已與柵長(cháng)無(wú)關(guān)，顯然由于各家都自定義工藝尺寸，導致業(yè)內誰(shuí)占先的爭論有時(shí)會(huì )發(fā)生。

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

另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即便finfet結構到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光刻機設備輔助，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)。

 光刻機是攔路虎  

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

一代器件，一代工藝，一代設備，半導體設備處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，具有舉足輕重的地位。如果缺乏設備的輔助，工藝進(jìn)步將成為“無(wú)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(lái)與臺積電等的工藝差距越來(lái)越大，其招數可以說(shuō)是十分兇狠的。

在眾多半導體設備中光刻機可能是最難啃的設備，難度極大，涉及產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)因為它在整個(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。

光刻設備中，光源的波長(cháng)將直接影響到分辨率，因此業(yè)內不斷地縮短光源波長(cháng)，從G線(xiàn)的436nm，I線(xiàn)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(cháng)134nm，直接跳過(guò)157nm所謂光學(xué)波長(cháng)的極限。再往下走只能采用EUV光源，波長(cháng)為13.4nm，第一代數值孔徑為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的高數值孔徑EUV設備到來(lái)，預計2024年ASML推出，至2025-2026年進(jìn)入2納米及以下制程使用。

結語(yǔ) 

推動(dòng)全球半導體業(yè)進(jìn)步，尺寸縮小仍是主力，然而由于客觀(guān)規律，定律終將接近終點(diǎn)，尺寸縮小的時(shí)程會(huì )增長(cháng)，但是不會(huì )阻礙產(chǎn)業(yè)的持續進(jìn)步，近期ChatGPT紅火，加上Chiplet及先進(jìn)封裝等綜效，預期全球半導體業(yè)至2030年時(shí)可達萬(wàn)億美元。

在市場(chǎng)需求方面，臺積電董事長(cháng)劉德音稱(chēng)，臺積電3nm制程市場(chǎng)需求非常強勁，可能已有9家客戶(hù)，3nm制程量產(chǎn)今年開(kāi)始，蘋(píng)果是它的客戶(hù)，每年帶來(lái)的收入都會(huì )大于同期的5nm。根據估計，3nm制程量產(chǎn)的5年內，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，求是緣半導體聯(lián)盟顧問(wèn)。親歷50年中國半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程的著(zhù)名學(xué)者、行業(yè)評論家。