从5nm+制程聊起 半导体工艺制程龙虎斗（上）
随着9月的来临，科技届年度春晚——苹果秋季发布会也将如约而至。不同于前几年，苹果在新品保密工作上的严丝合缝，这几年随着苹果全球布局产业链，产品保密的难度和可操作性近乎失衡，几乎每年的苹果新品都会被提前曝光，而今年更是如此。
可即便如此，全球科技用户，依旧对苹果新品的到来，充满期待。今年号称“十三香”的iPhone系列更是早早的，从内部架构到外观结构的全面曝光。其中，代表苹果手机核心竞争力的A15仿生芯片，无疑是业界最为关注的焦点。
A15仿生芯片概念图
据供应链消息，iPhone13（命名待定）系列内置的全新A15仿生芯片，采用台积电最新5nm+工艺制程（N5P），是台积电目前量产最先进的制程工艺，苹果也是首个该工艺下的重磅客户，和去年iPhone12一致，苹果为此提前预备了超过1亿的5nm+工艺订单量，用来全面生产新iPhone所需要的A15仿生芯片。
那么问题来了，台积电5nm+工艺制程到底有何过人之处？芯片制造中，工艺制程又是什么？今天，我们就从新iPhone的5nm+工艺制程出发，聊一聊半导体的工艺制程。
01工艺制程是什么？
在了解工艺制程之前，我们需要明白芯片的工作原理，即利用半导体PN结的单向导电性原理，并利用多个晶体管串联的“与”、“或”、“非”构成逻辑门，将电信号转化为0、1数字信号，实现信号传递，从而最终实现单个电流开关驱动数以亿计晶体管进行工作，输出0和1数字信号，转化成二进制进行计算、存储。
图源于网络
在这里，受制于篇幅，就不再展开关于半导体PN结的论述，只需要知道它是由单质硅提炼而来，并具有单向的导电特性即可。
主要聊下能够实现逻辑门开关和闭合的晶体管，了解计算机的朋友对于这个名词应该不会陌生，也大都听过这个故事，全球第一台计算机ENIAC，是由超过17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，每秒仅能运行5千次加法运算；
可其后随着晶体管的问世，IBM公司推出IBM7090型全晶体管大型机，计算性能得到了飞跃，运算速度达到每秒229000次，由此可见晶体管对于现代半导体生态的重要性。
晶体管经过多年工艺演变，已然从初代需要玻璃外壳保护的稀罕物，成为现代半导体工艺最为常见和最不可或缺的关键器件。
晶体管内部
内部示意图
晶体管的内部结构，主要是由源极、漏极和位于它们之间的栅极所组成，其中的栅极长度，便是我们常常所言的工艺尺寸，或者说工艺制程，所谓28nm、10nm乃至于7nm，都是描述从源极到漏极之间栅极长度，业界称之为Gate Length。
02工艺制程演变方向
根据芯片工作原理，我们其实能够知晓，芯片响应速度快慢，取决于单个晶体管内部两级之间的电荷流动速度，为了加速流动，一方面我们能够增加更多的晶体管数量，让电荷快速在不同晶体管中流转起来，另一方面更需要在单个晶体管内部不断缩短阻碍在两级之间的栅极长度，也就Gate Length。
以上两个方向，也就构成了当今世界各大半导体大厂各大工艺制程的主要延展方向，即不断提升芯片内部的晶体管数量，也就是单位空间内的密度问题，同时更要不断缩短单位晶体管内部的Gate Length，加速电荷流动。
显微镜下晶体管排列（图源于网络）
当然值得注意的是，“工艺制程=栅极长度”，工艺制程等同于物理尺寸的说法，实际上从350nm之后，已然失效。那是源于，随着工艺制程推进，Gate Length物理尺寸的缩小已然没有规律可言，但部分业界从业者（没错就是三星、台积电）为了延续此前每隔一代大约能缩小0.7的规律，把后续的工艺制程，全都按照0.7的倍数进行缩小后命名。
举个例子28nm工艺制程后一代制程，即28*0.7约等于22，于是下一代工艺制程便被命名为22nm，接下来的14nm，乃至于10nm，7nm都是按照这个规律命名。
03晶体管密度才是关键
那么既然后续命名和Gate Length物理尺寸没有任何联系，业界又是如何判定不同厂商之间的工艺带差呢？
那便是芯片内部的晶体管密度，通过对比芯片内部的晶体管密度多少，即可判定是否属于先进工艺或是同一工艺。
在这里，我们可以例举Intel 10nm工艺制程，根据公开消息，Intel 10nm工艺制程虽然在命名上不如台积电7nm工艺、三星7nm工艺制程响亮，可在晶体管密度方面，Intel 10nm远超台积电7nm工艺（DUV）和三星7nm（DUV），仅次于用EUV光刻机研发的台积电7nm+工艺。
由此可以看出，Intel 10nm和同期台积电、三星等厂商工艺制程属于同一水平，只是在命名上的不激进，导致被很多用户笑谈“挤牙膏”。
图源于互联网
04关于台积电N5+工艺
了解了工艺制程，回过头，再来看看台积电这次为新iPhone准备5nm+，到底又是何方神圣。
实际上，相较于火热的iPhone参数，关于台积电5nm+制程工艺消息，透露的并不多，我们可以试图从台积电5nm工艺一窥究竟。
此前，台积电总裁魏哲家就在技术论坛上表示，相较上一代7nm，5nm制程速度提升近15%，功耗则降低了30%，晶体管密度提升80%，妥妥的是新一代工艺制程，而该工艺也被首先运用在iPhone12之上，根据官方数据，采用台积电N5工艺的A14仿生芯片，内置118亿个晶体管，晶体管多了近30多亿，而CPU性能提升40%，而GPU则提升了近50%。
至于5nm+制程工艺，根据消息人士推测，将在5nm工艺的基础上，带来5%的额外速度提升和10%的功率提升。
至于具体提升，让我们拭目以待吧。
聊到这里，关于半导体工艺制程龙虎斗的上半部分就告一段落了。下一部分，我们将详细聊聊主要半导体大厂，现阶段的工艺制程，以及未来最具潜质的工艺制程演变FinFet工艺的周边。
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半导体芯片（IC）“纳米（nm）”单位相关知识的详解；
随着人工智能、物联网、智能手机等新兴应用的快速普及，芯片技术也在不断迭代升级。但一说到芯片,我们就会说到纳米(nm) ,比如华为海思的990 5G SoC芯片就是用7nm工艺制程生产的芯片。纳米（nm）是长度尺寸的单位，先不说先进不先进的事，尺寸越小，它的生产难度就会越大，这个大家没有异议吧？目前，5纳米（nm）、7nm、10nm制程的芯片已经成为市场上主流的制程。然而，这三种芯片之间的差距究竟在哪里？它们仅仅是大小上的区别吗？这就是本期我将要与大家分享的行业知识了。
一、芯片的定义
芯片就是指肉眼能看到的长满了很多小脚的或者看不见脚的，很明显的方形的那一小块东西。它是指集成电路，其英文缩写是IC。但严格意义上来讲，芯片的真正含义是指集成电路封装内部的一点点大的半导体芯片，也就是管芯。本篇文章中，我们对两者不做区分。
集成电路是一种微型电子器件或者部件。其采用一定的工艺，把一个电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或者几小块半导体晶片或者介质基片上，形成结构上紧密联系的、内部相关的电子电路。
集成电路是在1957年由一位名字叫基尔比的美国工程师发明的。在集成电路发明之前，电子产品都是用电子管或者晶体管来设计的，基尔比把晶体管、电阻和电容等集成在一块很小的平板上，然后用很细的线把它们焊接起来实现一个特别的功能，这就是最原始的芯片（集成电路)了。
在了解了什么是芯片之后，我们需要了解什么是芯片制造工艺？其实，芯片制造工艺就是指在半导体晶体管上形成电路和器件所需的一系列工艺过程。其主要分为几个阶段：晶圆清洗、光刻、蚀刻、沉积、退火、离子注入等。其目的是在硅片表面制造出各种电路和器件，实现晶体管的互联和集成。这一工艺的核心是芯片制造的最小线宽，即制造芯片的最小细节。我们经常所说的nm，指的是纳米级别的尺寸大小，它代表了一块芯片中晶体管（Transistor）的尺寸大小。晶体管是芯片的基本单元，控制着电流的流动，以实现各种电子设备的功能。
二、芯片纳米工艺
芯片中的纳米指的是生产芯片的工艺制程。我们都知道，纳米是计量单位。且1mm=1000000nm。那芯片工艺中的这个纳米，指的是芯片哪个位置的尺寸呢？2nm、3nm、7nm是指处理器的蚀刻尺寸。简单的讲，就是我们能够把一个单位的电晶体刻在多大尺寸的一块芯片上。那讲到这里，肯定很多朋友想问：芯片为什么要做得那么小，有这个必要么？
大家都知道：华为麒麟芯片停产，是因为技术限制，台积电不能再为其生产相关芯片。华为继而考虑与中芯国际达成合作，但并未有明显突破。台积电优于中芯国际的地方在于，它可以把芯片做的更小。7nm比14nm先进，5nm比7nm先进。虽然从数字上看起来差别不大，但是实际对于芯片来说，差距极大。要提高芯片的性能，我们需要给芯片的CPU加入更多的核心，而越先进的核心集成的晶体管数量也会越多。
手机处理器与电脑处理器相比，对芯片大大小要求更高。因为一部手机中能够留给芯片的尺寸是有限的。蚀刻尺寸越小，相同大小的处理器中拥有的计算单元也就越多，性能也就越强。
很多芯片上需要集成的晶体管可以以亿为单位计算。芯片中每个晶体管工作需要的电流极小，但是多个晶体管在一起，就会产生较大的电流。如果缩小晶体管的尺寸，导通电压就会减小，需要的电流也会少，可以降低芯片的功耗。
三、不同纳米（nm）芯片之间的差距
1、晶体管数量
随着制程工艺的不断升级，每个芯片上的晶体管数量也在逐渐增加。从5nm到10nm制程，同样大小的芯片可以多放更多的晶体管，同时能够在同样数量的晶体管下减小芯片的尺寸。这意味着，在同样大小的芯片上，5nm制程比7nm制程多放入了更多的晶体管，而7nm制程也比10nm制程多放入了更多的晶体管。因此，晶体管的数量是5nm、7nm、10nm芯片之间的一个重要差距。
2、功耗和性能
芯片制程的升级还可以带来更低的功耗和更好的性能。随着制程的不断升级，芯片的功耗可以逐步降低，同时性能可以逐步提高。这是由于每个晶体管的体积逐渐缩小，电路中的电子元件越来越小，速度也越来越快，从而实现了更高的集成度和更快的响应速度。这也使得芯片更加节能和高效，具有更高的性能表现。
3、成本和制造难度
除去性能、功耗等因素，芯片制程的升级还会导致制造成本和制造难度的增加。芯片工艺越先进，制造难度和成本就越高。这包括了装备、材料等方面的成本增加，以及相应的制造工艺难度的增加。因此，相比于10nm、7nm制程，5nm制程的制造成本也会更高。
四、不同纳米（nm）芯片之间的差异
1、最小线宽
5nm芯片的最小线宽为5纳米，7nm芯片的最小线宽为7纳米，10nm芯片的最小线宽为10纳米。这说明，5nm芯片具有更高的制造精度和可靠性，能够容纳更多的晶体管和电路组件。也就是说，在相同面积上，5纳米芯片可以容纳更多的晶体管和电路元件，从而实现更强大的计算和更高的性能。
2、晶体管密度
5nm芯片的晶体管密度是每平方毫米约2000万个晶体管，而7nm芯片只有大约1600万个晶体管。10nm芯片的晶体管密度甚至更低，只有约1400万个晶体管。这意味着，5nm芯片具有更高的晶体管密度，能够更好地发挥其计算和处理能力。
3、集成度
随着芯片制造工艺的进步，芯片的集成度也越来越高。5nm芯片具有更高的集成度，可以将更多的功能融入单个芯片中。这些功能包括计算、存储、通信等，都可以在一个芯片上完成，从而提高了电子设备对于计算和处理的性能要求。
五、芯片纳米（nm）级别的含义
1、纳米级别代表芯片微型化程度
芯片的纳米级别是指制造芯片的工艺技术达到的纳米级别尺寸。芯片的微型化程度越高，集成度越高，性能表现也越优越。目前，最常见的芯片工艺技术有28纳米、16纳米、10纳米、7纳米、5纳米等多个级别。
2、纳米级别代表芯片性能表现
芯片的纳米级别也代表了芯片性能表现的不同，通常情况下，纳米级别越小，芯片的性能表现就越强悍。纳米级别是介于微米级别和原子级别之间的一种物理尺度，因此芯片的微型化程度达到纳米级别以后，能够在有限的空间内容纳更多的晶体管，从而提高了芯片的计算性能。
3、芯片纳米级别的不同对应不同的电子设备
芯片的纳米级别也对应着不同的电子设备，如10纳米及以下的芯片通常用于高性能服务器、游戏主机、人工智能计算机等，而28纳米及以上的芯片则常用于手机、平板电脑、普通PC等消费电子设备中。
总结一下
好了，本期关于芯片（IC）纳米（nm）单位相关知识的分享就到这里了，总的来说，5nm、7nm、10nm芯片之间的差距不仅仅在于尺寸上的区别，更在于晶体管数量、功耗和性能、成本和制造难度等多个方面。在芯片行业中，每次制程的升级都是一场技术创新和商业竞争的战争。而这场战争的胜利者往往能够拥有更优秀的市场表现和更先进的产品，在这场战争中占据更大的市场份额。因此，在这个高速发展的科技行业中，芯片制程的迭代升级是不可避免的趋势。只有不断创新和更新才能保证企业的生存与发展。
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