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揭秘国产7nm芯片现状:挑战与突破并存

在说7nm芯片之前,我们先要搞清楚一个问题。XXnm到底是什么意思?专业的解释:所谓的XXnm指的是,CPU上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。栅长越短,则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管。在芯片晶体管集成度相当的情况下,使用更先进的制造工艺,芯片的面积和功耗就越少,成本也越低。

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但是这里有一个非常重要的问题:7nm是现有芯片硅材料的物理极限‌。在现有芯片材料的基础上,晶体管栅长一旦低于7nm,晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应,这为芯片的制造带来巨大的挑战。

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于是,在2019年的时候,台积电的技术研究副总经理黄汉森就表示过,XXnm其实与晶体管栅极已经不是绝对相关了。意思就是,现在的XXnm,更多的还是晶圆厂自己来定义的,并不是一定就指栅极宽度是XXnm。这是因为FinFET工艺(3nm开始有了GAA等新技术)被采用后,晶体管的结构发生重大变化,其整体尺寸是明显微缩了。这就使得我们能够在单位面积的晶圆上容纳更多数量的晶体管,所谓的XXnm其实完全是等效出来的。

所以现在的7nm、5nm就是个数字,它已经失去了原来的意义,更多的是芯片制造行业面向大众一种默认“营销”手段。所以,英特尔还是坚持“本心”:什么7nm、5nm,我们直接看单位面积的晶体管数量。

说完XXnm之后,我们再来看另一个制造业的“明星”——光刻机。光刻机分为DUV和EUV两种。

DUV设备以可以实现最高分辨率的是 ASML 193nm DUV光源、 NA 1.35的浸入式光刻机(immersion),设备型号一般是从NXT1950到 NXT2000。对于这一特征波长和NA的光刻机,能够实现的分辨率极限就是38nm,单次曝光形成的图形是不可能小于这个极限值的。它通过双重曝光技术(double exposure,DE) 和自对准双重成像技术 (self-aligned double patterning, SADP),可以实现7nm制程工艺。

EUV光刻机得益于使用13.5nm EUV 作为光源,单次曝光的分辨率极限可以达到13nm,EUV 同样可以使用SADP 技术,实现更小的特征尺寸,使得芯片制程工艺向5nm/3nm 继续发展。

以上这些是这篇文章讨论的基础。

美国当地时间2024年12月2日,美国商务部发布了新的对华半导体出口管制措施。该措施进一步加严对半导体制造设备、存储芯片等物项的对华出口管制,并将华大九天、拓荆科技、凯世通等136家中国实体增列至出口管制实体清单。对此,12月3日,中国互联网协会、中国汽车工业协会、中国半导体行业协会、中国通信企业协会发布声明,呼吁或建议国内企业审慎选择采购美国芯片。

从产业链传递出的消息来看,台积电已经确认下周起切断大陆所有7nm及更先进制程AI芯片代工,甚至连部分AI初创公司都收到了邮件。业内认识分析,短期内美国及台积电打击的核心目标还是AI计算卡,尤其是技术难度和战略意义极大的AI训练芯片。小米玄戒团队的3nm/4nm AP、地平线的车端算力芯片、小鹏自研的车端推理芯片等暂时不在受影响行列;但不排除后续限制扩大可能会被波及。所以,有一个问题摆在了台面上:国产7nm芯片到底如何?

那些到现在还认为国产7nm芯片还是白手套代工的,不是没有基本常识就是别有用心了。需要指出的是,借助DUV光刻机,通过多重曝光技术,可以实现7nm芯片的量产,但是良品率不会太高。后续随着技术的成熟与完善,可能会有提升,但是7nm已经是极限。要想更进一步实现更先进的制程,就需要突破EUV光刻机。

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中芯国际的N+1技术,现在看已经相对成熟。从公布的参数看,相较于14nm芯片工艺,中芯国际最新一代N+1芯片工艺的性能提高20%,功耗降低57%,逻辑面积减少63%,SoC面积减少55%。这些参数表明,中芯国际的N+1技术已实现等效7nm的芯片制造。目前两年已过,经过9000S、9010、9100等芯片的严格检验,国产7nm工艺不断成熟。

Mate60系列发布后不久,业内有人脉的就都知道麒麟9000s是哪家企业产的,甚至定位到了具体哪条产线。事实也是如此,美国针对华为Mate 60芯片的报告不仅列出了国内的先进制程代工产线,连卫星图和对应厂房都标注的很清晰。这些基础的情报,美国专业咨询机构也都清楚。所以,7nm芯片的自主生产制造的突破,应该是板上钉钉!尽管国产芯片在7nm技术上取得突破,但与台积电、三星、英特尔等国际巨头相比,量产能力和良品率方面仍然有着不小的差距。

行业分析机构TechInsights通过电子显微镜的扫描,发现华为的7nm芯片在晶体管密度上与台积电的7nm工艺存在差距,甚至与英特尔的10nm工艺相差无几。这说明,国产的7nm技术还有一定的进步空间。

从技术人员反映的信息来看,在国内买不到A卡和H卡的情况下,昇腾910B还是一个不错的选择。从性能测试看,它略低于A100,在某些场景表现甚至可以和A100打平。无卡可用之下,昇腾910B起码解决了燃眉之急。京东离职的技术人员透露,“JD+的大模型负载已经全面切换到910B,外界传说国内互联网大厂都采购了万卡910B集群,以我看到的数量应该是真的。910B除了支持鲲鹏底座之外也支持X86底座,国内互联网大厂采购的都是基于intel SPR平台的服务器,单机16卡。”

悲观人士则认为:在这轮制裁之前,台积电已经不给代工400T算力(A100一半水平)以上的国产芯片了,1000T算力的br100都被制裁了一年多了。就靠几个300T算力的芯片苟能苟几天啊?人家B200都2000T了,一片顶你八片……

如果单纯以当前的技术水平来衡量,差距确实存在。美国、日本和荷兰等国的技术封锁,让中国无法像台积电那样迅速跟上前沿工艺。但是,这并不意味着中国永远赶不上。

与台积电相比,台积电花了3年时间,从16nm到7nm,中间为10nm,三星从14纳米到7纳米花了五年时间中芯国际仅需两年时间即可实现这一成就,达成7nm。所以,我们还需要一些时间。

英伟达CEO黄仁勋近日在采访中直言,中国的芯片制造技术虽然表面上看似进步飞速,但在实际性能上提升有限,与国际顶尖水平,尤其是美国,还存在近十年的差距。这一评价虽显冷峻,却也反映出半导体行业的现实:这是一个需要长期积累与深厚底蕴的领域。

回望历史,ASML为研发EUV光刻机整整砥砺了20年,方才站上行业巅峰,而台积电的巨头地位亦非一蹴而就,而是数十年如一日的技术积累与精益求精的结果。相比之下,中国的半导体产业起步虽晚,却已展现出后来居上的潜力。从近几年的发展态势看,中国芯片设计的能力已逐渐逼近国际一流水准。下一步,中国唯有迎难而上,在芯片制造领域奋起直追,方能弥补这关键一环的差距。

十年,虽长却亦短。对于一个刚刚崛起的产业而言,十年是卧薪尝胆的历程;而对于一个志在问鼎科技高峰的国家,这十年将是书写历史的机遇。从零到一的突破,从跟随到引领,中国半导体产业必将在这场旷日持久的竞赛中,绘制属于自己的宏伟蓝图。

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