追赶与超越，国产芯片制程

2024-06-25 824 区块链百科

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文丨俊俊

芯片在现代社会的各个行业中都发挥着至关重要的作用，是支撑科技发展和推动各种电子产品创新的核心技术。

目前，我们还是不得不面对先进制程被卡脖子的问题。6 月 24 日消息，路透社报道，字节跳动正在与美国博通公司合作开发制程为 5nm，由台积电制造的 AI 处理器。

所以，谁能掌握更先进的芯片技术，谁就能在未来的发展中占据主动权！

在当今大国竞争日益激烈的背景下，芯片被视为国之利器！

先进制程

说起芯片，不得不提最近经常被提起的芯片制程。

一块芯片由无数的晶体管组成，每个晶体管由源极、栅极、漏极组成。其中栅极相当于一个通道，主要负责控制两端源极和漏极的通断。

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而栅极的宽度，就是制程节点，也就是我们常说的多少纳米工艺中的数值，也就是我们经常听到的28nm、14nm、7nm、5nm、3nm，包括台积电正在推进的2nm等。

微电子技术的发展，长期以来依靠工艺技术的不断改进，使得晶体管尺寸不断缩小，也就是制程进步。

一般来说，晶体管中栅极的宽度越窄，晶体管就越小，电流通过时的损耗越低，性能也越高，制造工艺也更复杂。

目前，业界普遍认为28nm是成熟制程与先进制程的分界线，28nm及以上的制程工艺被称为成熟制程，28nm以下使用的高精度和高效能生产技术的制程工艺被称为先进制程。

狭义上分析，通常纳米制程越小，可以带来芯片体积变小，性能提升，芯片能耗降低的效果。

对于体量有限的手机类芯片来说，先进制程是必备要素。

台积电给出的数据可以非常直观地观察到制程进步的意义：5nm工艺相对于7nm工艺，逻辑密度提升了80%

在同等功耗下性能提升了15%，在同等性能上，功耗可以降低35%。

苹果以A15和A14为例，A15采用了台积电3nm 制程进行制造，而上一代的A14芯片则采用4nm 制程技术。A15集成150亿晶体管，比A14的118亿晶体管增加了27%。这也造成了A15 CPU单核性能提升10%、GPU性能提升40%。当然，这里必然还有新一代芯片的设计因素。

但无法否认的是，更高规格纳米制程大幅提升了晶体管数量，对性能的提升非常直接。

或许很多人认为，随着先进制程的发展，成熟制程早晚是要被淘汰的，这么说确实有一定的道理，但并不完全正确。

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因为，芯片并不是越小越好。

制程升级过程不是无限制的，其中阻力正变得越来越大。比如要从7nm提升到5nm，晶圆的成本涨幅达到接近一倍。

同时，制程的提升幅度越大，电子穿越绝缘层的概率也更高，尤其在热效应情况下，很容易产生漏电问题。

更值得一提的是，制程升级所带来的优势，是在相同功耗或者相同性能的条件下进行比较的结果。

要知道，先进制程工艺对算力的要求也在持续提升，某种程度上也会对终端应用产生影响。比如A15采用了3nm 制程工艺，按理说更低的能耗可以产生更少的热量，但发热问题却还是难以缓解。

近日，3nm领域一直有热度的三星，也被曝出3nm良率仅20%。Exynos 2500是三星首款采用SF3工艺的智能手机SoC，该工艺相较于前代4nm FinFET工艺，在能效和密度上预计有20%至30%的提升。

据媒体报道，Exynos 2500的良品率目前仅为20%，远低于量产标准，但三星仍在积极寻求解决方案，以期在今年10月前将良品率提升至60%。

先进制程芯片的性能虽好，但仍存在诸多显示问题，所以只在手机处理器等少数领域应用，在工业、汽车、军事等领域，反而成熟制程芯片更为可靠。

目前，成熟制程仍然有着无法替代的价值，小容量的存储芯片、模拟芯片、MCU、电源管理芯片、模数混合芯片、CMOS 传感器、传感器等主要还是采用成熟制程。

所以，成熟制程可满足大部分应用场景，很多领域并不需要7nm、5nm、3nm这样的先进制程，制程并不是衡量芯片价值的唯一标准。

但并不是说中国芯片产业不需要先进制程，半导体公司们“曾经瞧不上，如今赶不上”的先进制程是我国芯片产业发展绕不过去的一道坎，只有我们掌握最先进的制程工艺，才不会被卡脖子。

关键技术

制程技术步骤有很多，从台积电北美技术论坛特别强调的技术，近一半篇幅与先进封装有关，加上无论台积电、英特尔、三星甚至韩国政府，都计划倾国家之力发展先进封装，能看出半导体发展、芯片效能提升，先进封装技术无疑扮演关键角色。

先进封装之所以被称为“先进”，主要体现在以下方面：

1、高集成度，先进封装技术可以在一个封装体内集成多个芯片，也可以将多个芯片垂直堆叠起来，显著减少了封装尺寸和重量。

2、工艺方法更多元，与传统封装不同的是，先进封装的做法结合了半导体制造工艺与传统封装工艺的特点，制程更灵活，对于前后制程都需要有一定的了解，才能明白先进封装的工艺。

3、更优的导电与散热性能。垂直互连减少了芯片间的信号传输距离，提高了信号速度和可靠性。

先进封装技术将持续引入新材料、新工艺，如纳米材料、3D堆叠封装等，以实现更高的集成度、更低的功耗和更快的信号传输速度。这些创新将推动电子产品的性能飞跃，满足日益增长的市场需求。

近期业界关于先进封装的动态也是不断，先进封装正值鼎盛之际，掌握先进封装技术势必抢占先进制程高地。

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在先进制程的布局方面，还需要其他技术支持和高度精密的设备支持。

因为随着频率的提升，处理器所产生的热量也会提高，先进的蚀刻技术可以减小晶体管间电阻，让CPU所需的电压降低，从而使功率大幅度减小。而蚀刻工艺——极紫外光刻(EUV)，用更小更锋利的“刻刀”来切割出更小的电晶体结构。目前我们仍不能比肩国际水平。

先进制程上，我们在关键设备等方面，仍需要努力进行突破。

竞争格局

据Counterpoint统计，在2024年第一季度，台积电继续保持其在晶圆代工行业的领先地位，一季度份额占比达到62%，三星作为第二大代工厂，占据了13%的市场份额，中芯国际在最新季度中交出了超出市场预期的成绩单，首次占据第三的位置。

近期关于台积电将3nm先进制程工艺价格上调5%，并可能对5nm、2nm予以涨价的消息传得沸沸扬扬。

台积电（TSMC）开辟了“代工厂”模式，为半导体行业打开了一扇新窗，其技术始终走在世界前列。台积电敢于做出如此举动的核心在于其掌控着先进制程“统治力”，在行业内具备较高的“话语权”。

据Gartner统计，台积电在7nm以下工艺拥有全球90%以上市场份额；而在质量端，公司7nm、5nm、3nm等先进制程工艺所展现的晶体管密度、良率等参数均领先同行。相关资料显示，台积电拥有FE 3D和BE 3D先进封装平台，在先进封装技术层面亦有CoWoS、InFO、SoIC等储备。这些优势使得台积电自身拥有有力“议价权”。

三星电子（Samsung）也在加快其在先进制程的产业步伐，在2023年推出了第二代3nm制程工艺，计划2025年量产2nm。

据韩媒报道，三星已开始试产第二代3nm制程（SF3）芯片，并测试芯片性能和可靠性，目标是在6个月内将其良率提升至60%以上。

2025年，三星将推出2nm（SF2）制程，之后，将增加晶体管的纳米片数量，这样可以增强驱动电流，提高性能，降低功耗。该公司对2nm制程寄予厚望。

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随着国内应用等需求开始复苏，中芯国际季度业绩超出市场预期，2024 年第一季度晶圆代工收入市场份额首次稳居第三，市场份额 6%。中芯国际预计，随着库存补货范围扩大，第二季度将继续增长。

受到半导体行业周期低谷以及复杂国际形势影响，中芯国际此前一直保持着低调发展的态势。中芯国际 2024 年 Q1 营收 17.5 亿美元（当前约 126.88 亿元人民币），去年同期 14.62 亿美元，同比增长 19.7%，环比增长 4.3%。这是中芯国际季度营收首次超越联电与格芯两家芯片大厂，也暂时成为仅次于台积电的全球第二大纯晶圆代工厂。