半導體裏真正的前沿是什麼_風聞

本文技術性太強，技術盲請繞路，供有興趣瞭解半導體發展趨勢的朋友。

前一陣子看了很多自媒體的文章，講我國半導體落後的方方面面，都提到了光刻機的差距，以及如何用好光刻機的差距，説白了就是ASML和台積電。

那麼如果我們買到了最新的ASML光刻機，也捕獲了台積電，或者説中芯國際買到了和台積電一樣的設備，那麼是不是意味着我國已經進入最先進的半導體制造國家呢？

當然沒那麼簡單，要是隻靠買買買就行的話，三星和Intel怎麼還是拼不過台積電呢？

前幾天看到了Celso Soares的報告，他畫出了半導體未來三十年的路線圖，確實是讓我大開眼界，讓我覺得自己知道的還很少。

首先是關於製程方面的概念。

早期的晶體管的縮小都是二維的，長寬各縮小0.7倍的話面積會縮小近一半（0.7*0.7=0.5）。

傳統我們定義技術節點是用最小金屬間距（MMP）的一半，但是到了20/22nm引入FinFET後，MMP的減少變得很慢，因為3D化以後晶體管向立體方向發展，就不能用MMP來表示技術進步了。

20nm x 0.7=14nm，所以新一代叫14nm

14nm x 0.7=9.8nm, 所以再新一代叫10nm

10nm x 0.7=7nm, 所以下一代叫7nm

7nm x 0.7=4.9nm, 所以再下一代叫5nm

其實，英特爾的10nm和台積電的7nm平面基礎尺寸是近似的，兩者每平方毫米都是一億個晶體管左右。但台積電早已量產(麒麟980/990，A12/A13，AMD Ryzen 3000等)，但英特爾多年還是搞不定良率問題。

既然英特爾也能買到最好的ASML EUV設備，那麼為什麼還是搞不定10nm的製程呢？

這可能與英特爾激進的材料路線有關，**英特爾將導體從銅全面轉向鈷，而台積電和三星仍然用銅和鍍鈷。**銅是非常好的導體，但是問題在於它在納米尺度時電阻會激增。

金屬釕是替代銅的另一個選擇，而在晶體管材料上，硅鍺合金和擁有更佳電性能的銦、鎵和砷化物也在被深度考慮或已應用。

在材料領域的基礎研究上，我們的差距還很大。

在半導體發展歷程中，人類絞盡腦汁使用了元素週期表上的各種可能，這還不包括各種化合物。下面這張圖生動地表現了1985年和現在元素週期表上各種材料被用於半導體的情況。

我們從中芯國際的聲明中可以得知，採用目前中芯國際自有的DUV光刻機可以做到7nm的工藝，但這時已經是DUV的極限了，且良率會很難做。再進一步的話，5nm的光刻必須用到EUV，否則掩模的層數要多到失控了。

目前各家的3nm方案實際上已經成型了，將是更立體的FET，還包括了碳納米管等各種複雜的材料，再往下就需要打開1nm的大門了，在實驗室中已經實現了用CFET技術完成1nm的光刻工藝。

ASML的技術路線圖。由於High NA EUV已經設計完成，所以從光刻角度認為至少未來十年摩爾定律還在掌握之中。

未來超過5nm以後，晶體管Cell的模式可能是各種形狀的FET管子。

下面我們可以看看第一張圖，近幾年裏3D Stacking值得一提：就是把內存什麼的都疊在CPU上面。最有價值的是疊高帶寬內存(HBM)，同時縮小了導線的時延。原本內存帶寬和時延是相矛盾的東西。

Nanosheet和Nanowire等統稱為GAA(Gate all around)“到處都是閘門”，這個名字顯示了這些小樂高晶體管的詭異模樣。

未來十年裏，這些技術路線還是靠譜的。

作為L4 Cache的HBM可能是未來一段時間的亮點。所以，似乎目前AMD的HBM路徑就是其贏取Xbox X和索尼PS5的最大利器。而Intel和NVidia最近在消費計算領域都有點壓抑。

2026年開始用碳納米管，這是半導體核心擺脱硅的開始。

製程技術到1-2nm時，手機處理器會到4Ghz的天花板。

新的10年要開始了，半導體中開始部分用光子取代電子，光子可以有更高的帶寬。2035-2040年，就開始引入量子計算：90%的光子比特混合10%的量子比特。

之後的十年是量子計算的時代，2050年則進入了玄學的境界，生物神經元計算，到這裏估計專家也編不下去了。

回到文章的主題，買到了ASML EUV光刻機，能做出7nm的芯片，就完事了嗎？

科技的進步就像是賽跑，我們在努力進步，別人也沒有閒着，而真正的競爭，將回到元素週期表，即對於材料化合物的微觀研究和應用中。

半導體芯片好比是蓋一個宏偉的建築，想想看，在頭髮絲這麼大的空間裏，我們要用上億個晶體管複雜搭建上億根銅筋的混凝土建築。

半導體的競爭遠遠不只是光刻機的競爭，還有材料、設計工具（EDA）、化學蝕刻、光學/量子技術、設計人才等各個方面的競爭。

在半導體這個長跑比賽中，要想從落後跑到領先，需要投入的資源是難以想象的，中芯國際成立20年來，投入的資本以上千億計，從未分過紅，依然與台積電有兩代的差距，國人需要做好艱苦卓絕的準備。