農(nóng)業(yè)立國(guó)、制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，自第一次工業(yè)革命至今，制造業(yè)都是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)作為世界工廠(chǎng)，制造業(yè)產(chǎn)值全球矚目，然而在高端制造業(yè)領(lǐng)域，卻一直比較落后。特別是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，芯片制造一直是國(guó)內(nèi)制造業(yè)的短板。以華為為例，在手機(jī)、筆記本電腦、5G 基站領(lǐng)域無(wú)往而不利，結(jié)果卻因?yàn)闊o(wú)法與臺(tái)積電繼續(xù)合作而功敗垂成。
臺(tái)積電究竟有什么了不起，它為什么能決定華為的“生死”，臺(tái)積電、三星、英特爾有什么區(qū)別，它們與芯片制造又有什么關(guān)系？小黑這篇文章將為大家解讀！
從一顆沙子到一顆芯片
小黑記得，初中生的課本上就講過(guò)，芯片的制程材料是硅，與沙子的主要成分一致。然而，從一顆沙子到一顆芯片，卻是這個(gè)世界上最為艱難的“旅程”，涉及全球數(shù)百家頂級(jí)公司，哪怕有一個(gè)環(huán)節(jié)失衡都會(huì)功虧一簣。
芯片的誕生過(guò)程主要分為IC設(shè)計(jì)、IC制造和IC封測(cè)三大環(huán)節(jié)。IC 設(shè)計(jì)，顧名思義就是畫(huà)圖紙，指導(dǎo)工廠(chǎng)如何制造芯片。可能有的小伙伴不了解，畫(huà)圖紙有什么難的，隨便拉來(lái)一個(gè)工科大學(xué)生都會(huì)畫(huà)。
其實(shí)，IC 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。一顆芯片最大不過(guò)小拇指指頭大小，其中卻包含了近百億晶圓，如此龐大的晶圓需要細(xì)致地畫(huà)出圖紙，即使世界上最小的筆也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因而IC 設(shè)計(jì)需要EDA 工具來(lái)輔助設(shè)計(jì)。
EDA 又叫電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，在EDA工具誕生之前，設(shè)計(jì)人員必須手工完成集成電路的設(shè)計(jì)、布線(xiàn)等工作。隨著上世紀(jì)七十年代集成電路復(fù)雜程度與日俱增，開(kāi)發(fā)人員嘗試將整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化，通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)輔助設(shè)計(jì)，芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證、物理設(shè)計(jì)、布局、布線(xiàn)、版圖、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等都可以通過(guò)EDA 工具來(lái)模擬。
▲ EDA工具
由于EDA工具極為復(fù)雜，市場(chǎng)基本只有少數(shù)企業(yè)能夠完成，Synopsys、Cadence和Mentor是目前主流EDA工具廠(chǎng)商，所有IC 設(shè)計(jì)廠(chǎng)家都離不開(kāi)他們。
有了EDA工具之后，就可以從容進(jìn)行IC 設(shè)計(jì)，華為海思就是一家IC 設(shè)計(jì)廠(chǎng)商，通過(guò)不斷設(shè)計(jì)、優(yōu)化，讓芯片發(fā)揮更大的功效。以前，IC 設(shè)計(jì)分為PC端與移動(dòng)端（或者說(shuō)手機(jī)端），蘋(píng)果、華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科在智能手機(jī)芯片設(shè)計(jì)上處于領(lǐng)先地位，英特爾與AMD 在PC端處于領(lǐng)先地位。然而，上個(gè)月蘋(píng)果發(fā)布的M1 PC端芯片打破了這一格局，目前蘋(píng)果橫跨PC端與移動(dòng)端，技術(shù)明顯領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)者。
眾所周知，蘋(píng)果的研發(fā)實(shí)力舉世罕見(jiàn)，不過(guò)蘋(píng)果芯片強(qiáng)大的實(shí)力背后，還有臺(tái)積電的鼎力支持。蘋(píng)果M1 芯片震撼世人，臺(tái)積電至少有一半功勞。很多人都知道臺(tái)積電是代工廠(chǎng)，但是大部分人都不知道，臺(tái)積電與蘋(píng)果所有的代工廠(chǎng)都不一樣，它獨(dú)有的技術(shù)甚至可以改變世界。
發(fā)文
制程的差異
在蘋(píng)果手機(jī)上游，有著長(zhǎng)長(zhǎng)的供應(yīng)鏈名單，有提供手機(jī)比例的藍(lán)思科技，有提供屏幕的三星、LG，有提供內(nèi)存的美光、海力士，還有提供組裝的富士康、立訊精密，但是這些供應(yīng)商加起來(lái)，也沒(méi)有臺(tái)積電對(duì)蘋(píng)果的影響大。
無(wú)論是手機(jī)還是電腦，其核心都是硬件性能，蘋(píng)果如果想要保持領(lǐng)先的處理器性能，就必須使用臺(tái)積電的制造工廠(chǎng)。原因很簡(jiǎn)單，臺(tái)積電的工藝水平超出競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一大截。
小黑在前面說(shuō)過(guò)，芯片制造主要分為IC設(shè)計(jì)、IC制造和IC封測(cè)，現(xiàn)階段IC封測(cè)對(duì)芯片性能影響不大，主要就靠IC設(shè)計(jì)與IC制造。而在IC制造領(lǐng)域，主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是制程。在最近幾年的手機(jī)發(fā)布會(huì)上，制程這個(gè)詞屢屢出現(xiàn)。Mate 30 首發(fā)臺(tái)積電7nm 制程，iPhone12 首發(fā)臺(tái)積電5nm制程，高通驍龍888 首發(fā)三星 5nm 制程，此類(lèi)報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。
從表面上看，臺(tái)積電與三星處于第一梯隊(duì)，制程工藝達(dá)到5nm；英特爾處于第二梯隊(duì)，制程工藝才剛剛達(dá)到10nm；再后面就是國(guó)內(nèi)的中芯國(guó)際，以及放棄先進(jìn)制程的格羅方德、臺(tái)聯(lián)電等廠(chǎng)家，制程工藝還停留在14nm。
事實(shí)上，制程工藝在各大制程廠(chǎng)家有著完全不同的定義，在14nm工藝之前，大部分廠(chǎng)家都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)命名。大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：?jiǎn)挝幻娣e上晶體管數(shù)量，每18個(gè)月增加一倍。
然而，14nm之后，三星與臺(tái)積電先后拋棄這一標(biāo)準(zhǔn)，各自制定獨(dú)特的制程標(biāo)準(zhǔn)，因而對(duì)比晶體管密度或許更有意義。
▲ 制程工藝與晶體管密度
以晶體管密度來(lái)衡量，只有英特爾嚴(yán)格按照摩爾定律命名工藝節(jié)點(diǎn)，英特爾的的10nm制程工藝趕超臺(tái)積電7nm制程，略遜于三星的6nm制程與臺(tái)積電的7nm＋制程。在最先進(jìn)的制程工藝方面，目前臺(tái)積電5nm制程工藝遙遙領(lǐng)先，三星5nm制程工藝雖然名字都是5nm，但是晶體管密度差距明顯，真實(shí)實(shí)力遠(yuǎn)遜于臺(tái)積電5nm制程。
大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：?jiǎn)挝幻娣e上晶體管數(shù)量，每?jī)赡辏ㄒ灿姓f(shuō)法是 18 個(gè)月）增加一倍。至于英特爾，10nm 制程才剛剛用于輕薄本低壓芯片，7nm制程遙遙無(wú)期。按照原計(jì)劃，晶體管密度比臺(tái)積電5nm更高的英特爾7nm制程將于2021年量產(chǎn)，屆時(shí)英特爾將與臺(tái)積電處于同一水平（臺(tái)積電2021年計(jì)劃推出5nm＋制程）。結(jié)果幾個(gè)月前，英特爾宣布由于技術(shù)缺陷，英特爾7nm將推遲到2022年底或2023年初，這一表態(tài)也直接導(dǎo)致英特爾股價(jià)暴跌。
先進(jìn)制程帶來(lái)優(yōu)勢(shì)
前文說(shuō)到，先進(jìn)制程可以增加晶體管密度，換句話(huà)說(shuō)同樣面積的芯片，可以“塞入”更多晶體管。像蘋(píng)果A14 處理器，單顆芯片塞入了118億晶體管，而華為麒麟9000處理器，更是塞入153億晶體管。雖然晶體管數(shù)量不代表芯片性能，但是在IPC 設(shè)計(jì)水平相同的情況下，晶體管數(shù)量越多性能肯定越強(qiáng)（蘋(píng)果設(shè)計(jì)水平高，因而在晶體管數(shù)量少的條件下性能更強(qiáng)）。
另一方面，先進(jìn)制程還能帶來(lái)功耗降低。臺(tái)積電表示，與7nm工藝相比，同樣的性能下5nm工藝功耗降低30％。通俗地說(shuō)，5nm工藝可以用更少的電量實(shí)現(xiàn)同樣的性能。5nm制程的使用，也是蘋(píng)果M1 芯片續(xù)航暴增的原因之一。
與英特爾、AMD 兩大主流PC 芯片廠(chǎng)家相比，蘋(píng)果M1 芯片續(xù)航優(yōu)勢(shì)主要在兩大方面：一方面，arm架構(gòu)天生比X86 架構(gòu)省電；另一方面，就是蘋(píng)果 M1 芯片在制程上領(lǐng)先。以英特爾為例，上一代蘋(píng)果macbook 采用的10代i7 采用的是英特爾14nm＋＋＋＋ 制程工藝，與臺(tái)積電5nm 有著接近兩代的工藝節(jié)點(diǎn)差距，因此才會(huì)出現(xiàn)性能、續(xù)航都是被“吊打”的局面。
當(dāng)然，這樣對(duì)比并不公平，畢竟英特爾最新發(fā)布的11代i7 已經(jīng)用上10nm 制程工藝。可惜，英特爾10nm也只能跟臺(tái)積電7nm、7nm＋媲美，綜合性能依然落后于臺(tái)積電5nm。因此11代i7也只能在單核性能上與M1 “打得”不相上下，多核性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于M1。至于續(xù)航，采用11代i7處理器的筆記本電腦，續(xù)航通常在10小時(shí)左右，而M1 續(xù)航已經(jīng)達(dá)到18 小時(shí)以上。
手機(jī)、電腦的性能取決于設(shè)計(jì)與制造，制造的關(guān)鍵又在于制程。在芯片誕生的歷程上，設(shè)計(jì)、制造缺一不可，今年華為如此艱難，就是因?yàn)橹徽莆樟诵酒O(shè)計(jì)，在芯片制造上找不到臺(tái)積電的替代品。因此，臺(tái)積電終止與華為合作，麒麟芯片也就無(wú)法生產(chǎn)，華為整個(gè)手機(jī)部門(mén)都面臨“缺芯”難題，為了生存甚至拆分榮耀。
制造業(yè)是立國(guó)之本，而芯片制造又是制造業(yè)王冠上的寶石，在外部環(huán)境波瀾詭譎的情況下，全面提升芯片設(shè)計(jì)與制造迫在眉睫。如今，在整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，華為海思、紫光展銳在IC 設(shè)計(jì)上處于第一、第三梯隊(duì)；中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)體在IC 制造上處于第三、第四梯隊(duì)；華大九天、上海微電子在EDA 工具、光刻機(jī)制造領(lǐng)域還處于剛剛?cè)腴T(mén)水平。半導(dǎo)體研發(fā)之路光榮而艱巨，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家想拿下這顆制造業(yè)王冠上的寶石，所面臨的阻礙與挑戰(zhàn)還有很多。對(duì)此，小黑只想說(shuō)：“加油，中國(guó)半導(dǎo)體人！”