(本文首發於“劉潤”公號,訂閱“劉潤”公號,和我一起洞察商業本質)
今天,華為開瞭發佈會。
恭喜華為。
這場全場景新品發佈會,沒提手機,沒聊芯片。
但是,對於Mate 60系列手機,和它那塊讓很多人驚呼的“7nm芯片”的關註,依然在。
發佈會的彈幕上,一度劃過:手機呢?芯片呢?光刻呢?
時間回到28天前。
一聲驚雷
8月29日,華為Mate60 Pro手機,在沒有任何宣傳的情況下,突然開售。
緊接著,從各大熱搜榜,到我的朋友圈,都被一個詞刷屏瞭:7nm芯片。
很多第一批搶購到這款手機的人,都在不約而同地做一件事:拆。
把手機裡的那塊麒麟9000S芯片拆出來,跑分,驗性能,看做到瞭什麼水平。
結論是:這可能真的是7nm芯片。
一聲驚雷。
很多人都在感慨:“最難的時候已經過去瞭,輕舟已過萬重山。”
為什麼這麼說?要做出一顆7nm芯片,到底有多難?真的很瞭不起嗎?做出或沒做出,和我又有什麼關系?隻是買不買新手機的關系嗎?
剛好,前段時間我的直播間請來瞭《芯片戰爭》的作者,餘盛老師。我也借此機會看瞭一些資料,請教瞭一些朋友。我越來越有一種感覺:
要造出7nm芯片,真的需要越過萬重山。
如果能越過,真的瞭不起。
這種瞭不起,真的值得你知道。
所以今天,我幫你梳理一下。
資料有點硬核,我爭取用普通話來和你說。
先說讓很多人起立驚呼的”7nm”。
7nm
首先一個問題:這個7納米,指的到底是什麼?
為什麼都在關心這個數字,很厲害嗎?
這件事,還得從你說起。
你去買手機時,是不是要它性能強,要它續航長,還要它輕薄身材好?
這三個要求,傳到芯片的世界裡,就變成瞭三個“終極KPI”:
PPA。
Performance 性能 、Power 功耗 、Area 尺寸。
這個PPA落到制造芯片的廠商那裡,又變成瞭一個“小目標”:
把更多的晶體管,塞進更小的芯片裡。
主打一個既有更多幹活兒的員工,能幫你做更多更大的項目,又少耗你的電,少占你的地。
可是,員工太多,塞不下怎麼辦?
解決方案很過分:讓員工減肥。
晶體管的構造裡,有一道“溝”,很有點減肥的空間。
所以,註意,最開始聊芯片,說“你這是28nm芯片”,“我這是14nm芯片”時,28nm, 14nm,指的並不是芯片的大小,不是晶體管的大小,也不是晶體管和晶體管之間的距離,而是晶體管裡的這個“溝道寬度”。
但是後來,聊著聊著,卷起來瞭。28nm,14nm,7nm……
卷到“7nm芯片”時,“溝道寬度”是不是真的減到瞭7nm,已經不是重點,各有說法瞭,但本質沒變:
更小的納米制程,就意味著更好的PPA,可以在更小的“辦公室”裡,塞下更多“員工”。
塞多少算夠?
做出14nm芯片,意味著要在每1平方毫米裡,塞下3千多萬個晶體管。
做出7nm芯片,則意味著要在每1平方毫米裡,塞下近1億個晶體管。
翻倍的能幹。但也,翻倍的艱難。
而這,僅僅隻是“過萬重山”的一個開始。
因為光塞得下還不夠,那麼多晶體管要一起協作,必須按特定的電路圖來排兵佈陣。
那麼問題來瞭:怎麼把一張精細到納米級別,卻又復雜到堪比上海地圖的電路圖,刻到比指甲蓋還小的芯片上?
光刻
沒錯,就是靠那個聽上去就很貴的辦法:光刻。
靠光,怎麼刻?
這事,說復雜,可以很復雜。一臺光刻設備,十萬多個零件,價格動輒上億美金,還不包郵,算下來比一臺波音737還貴,就隻為能幹成這件事。
但說簡單,也很簡單。你看過電影嗎?
傳統的膠片電影放映時,會先打出一束光,讓光線穿過一個像放大鏡一樣的鏡頭,再穿過一層電影膠片,就能把膠片上的圖案,投射到銀幕上。
光刻也類似。也是打出一束光,穿過一組透鏡系統,再穿過一層掩膜版,就能把掩膜版上刻著的電路圖,投射到制作芯片的襯底,也就是晶圓片上。
區別隻在於,放電影,是用“放大鏡”,把小圖投成大圖。光刻,則是用“縮小鏡”,把大圖投成小圖。
用光的投射做杠桿,真聰明。可是,到這一步,也隻是清楚地描好瞭邊,知道接下來往哪兒下手。
但,怎麼下手?
一張7nm芯片的電路圖,要把幾十上百億個晶體管和其它電子元件,都安排得明明白白。
並且,從晶體管,到連接晶體管的導線,都精細到瞭納米級,比你傢菜刀的刀刃還要細上10萬倍。
有行業裡的人曾形容:這就相當於要在一個指甲蓋大小的地方,刻出整個上海。而且不能刻漏一間房,不能刻歪一條路。
太瘋狂瞭。這要怎麼刻?怎麼刻,才能 “快、準、穩”地刻出這種電路圖的溝溝壑壑?靠激光嗎?
一開始,也不是沒人試過。
可是,激光直寫,納米壓印……一個個方法試下來,有的很貴,有的很慢,還有的很容易報廢,很難商業化,誰這麼刻誰虧錢。
直到,有人發現瞭一個非常有想象力的方法:
曲線救國。用光刻膠。
光刻膠
什麼是光刻膠?
光刻膠,是一個對光挺敏感的東西。
一旦被特定波長的光照到,就會發生化學反應。
本來很硬氣的,一照就慫瞭,變得能很輕易就被化學溶劑洗掉。
拿捏住這一點,光刻就有瞭全新的解題姿勢:
不靠一筆一筆地物理雕刻,而靠一層一層地化學腐蝕。
涉及的工藝雖然很多,但思路大體上和“把大象關進冰箱”也差不多,主要就四步:
第一步,塗膠。往芯片的原材料,也就是晶圓片上,均勻地塗上一層光刻膠。
第二步,打光。讓特定的光束,透過畫瞭電路圖的掩膜版。
有線條遮著的地方,照不到光,光刻膠是一種脾氣。
沒線條遮著的地方,照到瞭光,光刻膠就變成瞭另一種脾氣。
第三步,洗膠。把兩種脾氣的光刻膠所覆蓋的晶圓片,放進特定的化學溶液裡,發生反應。
那些變瞭脾氣的光刻膠被溶解後,電路圖就在光刻膠層顯示出來瞭。
第四步:蝕刻。把晶圓片放進腐蝕液裡。
光刻膠依然沒被溶解的地方,相當於覆蓋瞭一層保護膜,而光刻膠被溶解瞭的地方,會直接接觸到腐蝕液,被“快、準、狠”地蝕刻出與電路圖相對應的溝溝壑壑。
光、掩版、光刻膠、晶圓片,再加上各種化學溶液,原以為難於上青天的物理題,突然就變成瞭一道平平無奇的化學題,被攻克瞭。
這,就是現在主流的光刻方式:
先像放電影一樣,通過“縮小鏡”的投影,把電路圖投影到襯底上;
再像洗照片一樣,通過局部曝光光刻膠,把電路圖蝕刻到芯片上。
這樣看上去,光刻也不算復雜啊。
看上去不。
但這裡有一個關鍵難點,光的波長。
波長
要刻出納米級精細的電路圖,至少,你手裡的刀,也得足夠精細吧。
怎樣獲得一把更精細的刀?
當你的刀是不銹鋼做的時,你隻要把刀刃磨鋒利就行。
但當你的刀是一束光,你什麼也磨不瞭時,怎麼辦?
從刀的材料源頭解決:波長越短的光,天生刀刃越鋒利。
因為波長越短的光,衍射的擴散角度越小,換句話說,就是越會乖乖走直線,不糊不亂跑,你指哪兒它打哪兒。
那還不簡單,打開光譜圖,直接找波長最短的那種光,用起來不就行瞭。
光譜圖(圖片來源:http://www.asml.com/en)
不簡單。因為,短波長的光,不是你想用就能用的。
你有沒有能力在成本可控的前提下,穩定而持續地發出它?你的光刻膠和它來不來反應?你的其它工藝流程能不能和它兼容?
都是難題。都得摸索。
摸索到今天,能讓人效率穩定、成本可控地拿起的“光刀”,主要有2把:
DUV和EUV。
DUV,是一種光的名字:Deep Ultra-Violet(深紫外光)。波長可以短到193nm。
很多人認為,用這把“光刀”的光刻設備,基本隻能刻出20nm以上制程的芯片。
EUV,也是一種光的名字:Extreme Ultra-violet(極紫外光)。看名字就知道,這種光卷得更狠,波長可以短到隻有13.5nm。
誰擁有瞭這把刀,誰就有機會再往前一步,刻出7nm,甚至,5nm,3nm,2nm這樣更先進的芯片。
太好瞭。那找短光波的問題不就解決瞭嗎?
要制作7nm制程的芯片,就去用EUV啊。
技術問題是解決瞭。但其他問題來瞭。
有人卡脖子。
卡脖子
目前,世界上能生產出EUV光刻設備的公司,隻有一傢:荷蘭的ASML。
2018年,中國的中芯國際,拿出瞭相當於它全年利潤的1.2億歐元,向ASML訂購瞭中國第一臺EUV光刻設備。
一筆大單。ASML也很高興,連出口許可證,都準備好瞭。
但是,美國發聲瞭。聲稱EUV光刻設備中有20%的美國零件,想要出口必須征求他們的同意。而他們不同意。
一紙禁令。怎麼辦?用不瞭可以刻7nm芯片的EUV,就造不出7nm芯片瞭嗎?
能不能用隻能刻20nm以上芯片的DUV試試?
有希望。
有兩個技術,可以帶來希望:浸沒式光刻,多重曝光。
浸沒式光刻
什麼是浸沒式光刻?
很簡單,翻譯一下,就是:泡到水裡刻。
已知:你那把“光刀”的波長,越短越好。
又已知:DUV的光波,最短隻能短到193nm。
一個刻出更先進芯片的思路,就出現瞭:能不能把DUV的波長,變得更短?
能,加水。
在晶圓表面和透鏡之間,加上一層超純水,純凈到不含礦物質、顆粒、細菌、微生物等任何雜質,隻有氫離子和氫氧根離子的超純水。
然後,讓光在水中發生折射。
193nm的深紫外光,在水中的折射率為1.44,波長可以進一步縮短到134nm。
“刀刃”,就這樣變得更鋒利瞭。
太聰明瞭。
這個方法,把DUV光刻設備,從“在空氣裡刻”的幹式時代,直接帶進瞭“在水裡刻”的浸沒式時代。
但是,還不夠。
靠這個方法迭代 “刀刃”,你有可能在你班裡提提名次,把制造水平從28nm制程提升到22nm制程,但要一口氣考上清華,搞定7nm制程,還是很難。
怎麼辦?
還可以再加上,另一個辦法:多重曝光。
多重曝光
什麼是多重曝光?
也很簡單,翻譯一下,就是:多刻幾次。
如果,我就是要刻出更精細的芯片,但我就是沒有手術刀,隻有斧子,那……我能不能試著用斧子多劈幾下呢?
也行。
具體怎麼個劈法?
我舉個例子,切糕。
你去買切糕,老板不拿手術刀,不拿菜刀,而是拿著斧頭給你切。
一斧頭下去,至少劈出1指寬,收你20塊錢。
你不接受,你隻想買7塊錢的,可是你又沒有更好的刀,怎麼辦?
挪案板,接著劈。
劈一次,把案板往旁邊平移一次,照著1指寬的那塊再劈一次。
多劈幾次,平移得精確些,總能把1指寬的切糕劈得更窄,從20塊錢裡再劈出7塊錢的。
劈一次,平移一次,再劈一次,直到劈出更窄的。
多重曝光,也一樣。
上一組掩膜版,曝光相應位置的光刻膠,在晶圓片上加工出精細到間隔為134nm的線條。
然後平移一次放置晶圓片的底座。
再上一組掩膜版,再曝光一次,就能加工出67nm的線條。
重復幾次,線條就能越來越精細。
這,就是多重曝光。
所謂的LELE工藝,LFLE工藝,SAPD工藝,本質上都是多重曝光,多刻幾次的辦法。
那就一直曝光,多曝光幾次,不就能搞定7nm芯片瞭?
還是不行。這個辦法,有極限。
多舉幾次斧頭,會多費很多力氣。多劈幾次切糕,也會多很多把切糕切歪的概率。
多重曝光也一樣。每曝光一次,就會多很多時間、耗材等成本,也會多很多報廢的可能,降低芯片的良率。
更高的成本,更低的效率,都是用DUV光刻設備通過多重曝光制造7nm芯片,所必須付出的代價。
而芯片的制造,不止是一道技術題,還是一道經濟題。除瞭“能不能做”,還要兼顧“值不值得”。
所以,很多資料都認為,綜合考慮下來,就算加上浸沒式光刻和多重曝光,造7nm芯片也幾乎是DUV光刻設備的天花板瞭。
要想制造7nm芯片,乃至更先進的 5nm芯片,3nm芯片,還得是EUV光刻設備更靠譜。
真難。
要制造出7nm芯片,靠EUV光刻設備,買不到,靠DUV光刻設備,又有代價和天花板。
那未來怎麼辦?和我又有什麼關系?
未來
和你的關系,當然不止是買不買一臺手機。
在科技行業,有三大定律。
摩爾定律,反摩爾定律,安迪比爾定律。
摩爾定律,你可能已經知道瞭。
這個英特爾公司創始人戈登·摩爾博士提出的定律預言:
每18個月,計算機等IT產品的性能會翻一番。
然後,是反摩爾定律。
谷歌的前CEO埃裡克·施密特提出,如果反過來看摩爾定律,一個IT公司如果今天和18個月前賣出同樣多的、同樣的產品,它的營業額就要降低一半。
而安迪比爾定律,更像是預言後的祝福。
這個定律的原話,是 “Andy gives, Bill takes away.(安迪提供什麼,比爾拿走什麼。)”
安迪,指的是英特爾前CEO安迪·格魯夫。
比爾,指的是微軟前CEO比爾·蓋茨。
這條定律,指的是硬件提高的性能,很快就會被軟件消耗。
比如,你電腦裡的英特爾CPU提到i5時,裡面裝的Windows系統也會緊接著升級,告別XP。
每次軟硬件剛剛好匹配時,都是一次對算力的跨越。
現在,把這三個定律連起來,會發生什麼?
先是,一個行業,會迭代。
大傢驚呼7nm芯片,很快又會驚呼5nm, 3nm, 2nm, 1nm……
再是,一個公司,會發展。
你會看到更多熱搜,聊手機的銷量,聊對手手機的銷量,聊高端市場的份額……
再後來,你可能換瞭個快一點的新手機,可能沒換。
但是,與此同時,在硬件能力提升時,軟件能力也有機會順流而上。
一次對算力的跨越,會再次開啟:
一個杭州的服裝電商,某天會發現上遊工廠一上新,下遊客戶就能在線選,可以再不用背庫存壓力。
一個石傢莊的客服小哥,某天會發現他自己一個人可以服務一整座城。
一個南海的油氣勘探工程師,某天會發現他可以一口氣運算100TB的數據,給整個地表做CT。
你,會發現你的世界,進入瞭一個算力再次被提升,效率再次被刷新的時代。
7nm芯片的故事裡,不止有芯片,還有算力,有科技發展,有競爭博弈。
這是一個百年不遇的大變局。
在這個變局的風浪裡,有人高呼,輕舟已過萬重山。
從沒有7nm芯片,到擁有7nm芯片。從DUV,到 EUV。從一臺新手機,到一種新算力。
都很艱難,都有可能。
但是,山外還有山。
7nm的外面,還有5nm,3nm,甚至2nm,1nm……
怎麼辦?
輕舟沒有回答。它隻是繼續向前航行。
前進,前進。
祝福。