M1芯片是蘋果公司專為Mac筆記本電腦打造的芯片。不到一年的時間，蘋果公司再次推出一款基于M1的新一代突破性芯片，稱為M1 Pro和M1 Max，并用在新推出的MacBook Pro筆記本電腦中。

根據蘋果公司的介紹，M1 Pro和M1 Max的中央處理器運行速度比M1提升了70%。兩款芯片均基于臺積電（TSMC）的5nm工藝，其中，M1 Pro封裝了337億個晶體管，是M1的2倍多，內含10核CPU（包括8個高性能內核和2個高效內核）、16核GPU以及其他功能。M1 Max與M1 Pro具有相同的10核CPU，并添加了32核GPU，M1 Max晶體管數量更是高達570億個。

圖1：M1的性能是市場上同期產品的2倍，而功耗卻低很多（圖源：Apple官網）

細心的朋友可能已經注意到，無論是一年前推出的M1還是現在的M1 Pro和M1 Max，均基于TSMC的5nm工藝。我們可以理解：這三款芯片所具有的高性能，首先得益于蘋果公司本身超強的設計能力，其次就必須要感謝TSMC先進的5nm工藝制程了。

其實，早在2020年中期，TSMC就開始使用N5（5納米）工藝技術進行芯片大批量制造（HVM）的公司，而蘋果公司就是TSMC在該技術節點的alpha客戶。

接下來，TSMC將開始使用其N5技術的性能增強版N5P制造芯片，該技術承諾，在相同的復雜度下，芯片性能將提高5%，而功耗降低10%。TSMC還保證，N5的早期采用者可以將其IP重新用于N5P芯片。屆時，相信蘋果公司的M1系列芯片的性能還會有很大的提升。由此可見，先進的半導體制造工藝制程在提升芯片的性能方面正在發揮越來越關鍵的作用。

01. 如何定義工藝制程節點？

大約從20世紀60年代到90年代末，工藝節點的名稱主要對應制造工藝中晶體管的柵極長度（Gate Length），也就是說，此時的工藝節點數字基本代表了芯片中晶體管的尺寸。最常見的情況是用微米而不是納米（nm）來表示制程節點，例如0.18微米或0.13微米，而不是180nm或130nm。圖2是IEEE給出的具體對應關系：

圖2：1992年至2009年期間，工藝節點與柵極長度的對應關系（圖源：IEEE）

后來，也許是出于市場營銷的考慮，半導體工藝制程節點開始以數字命名，比如32nm、22nm、14nm、7nm、5nm等等，都是近些年大家耳熟能詳的制程節點的名稱。

02. 工藝制程節點的演進

根據摩爾定律，芯片上可容納的晶體管數目約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。這期間，伴隨著集成電路（IC）設計水平的提高，半導體制造工藝也得到了快速發展。

在半導體制造演進過程中，45nm堪稱具有劃時代意義的一個工藝制程節點，它的問世使得CPU的性能有了跳躍式的提升。時至今日，45nm工藝依然在IC制造業中扮演著重要角色。

當工藝制程進入到45nm以下級別時，隨著晶體管尺寸的不斷縮小，一項必備的新技術——HKMG（high-k絕緣層+金屬柵極）誕生了。在制作HKMG結構晶體管的工藝上，業內形成了兩大陣營，一個是以IBM為代表的Gate-first（先柵極）工藝陣營，另一個是以Intel為代表的Gate-last（后柵極）工藝陣營。Gate-first工藝的支持者主要是以IBM為首的芯片制造技術聯盟Fishkill Alliance成員，其中包括英飛凌（Infineon）、NEC、GlobalFoundries（GF）、三星（Samsung）、ST以及TOSHIBA等公司。從45nm制程開始，Intel便一直堅持在制作HKMG晶體管時采用Gate-last工藝，代工業的翹楚TSMC后來也加入到這一陣營，并決定在28nm HKMG制程產品中采用Gate-last工藝。

45nm之后，28nm是半導體工藝制程發展過程中又一個極其關鍵的節點。在28nm這個工藝節點上，芯片的性能與成本之間幾乎達到了完美的平衡。在制造工藝上，28nm工藝承襲了上述兩大技術路線，即TSMC使用28nm的Gate-last工藝，而三星和GF使用的是Gate-first工藝。

在半導體制造領域，最不缺乏的就是創新，接下來出場的FinFET堪稱行業中一個里程碑式技術。FinFET首次把芯片中晶體管的結構從2D變為3D，即把2D構造的MOSFET變成了3D的FinFET。FinFET因此成為將晶體管柵極長度縮小到20nm以下的關鍵技術。

圖3：3D FinFET結構示意圖（圖源：網絡）

FinFET全稱Fin Field-Effect Transistor（鰭式場效應晶體管），是一種新的互補式金氧半導體晶體管，據稱它的命名是因為晶體管的形狀類似魚鰭而得來。該技術的發明者胡正明教授及其團隊于1998年成功制造出業界第一個n型FinFET，其柵極長度只有17nm，溝道寬度20nm，鰭的高度50nm。Intel在22nm工藝節點開始采用FinFET技術，很多公司則選擇在14/16nm節點上使用。

智能手機、HPC、物聯網和汽車相關應用對性能、尺寸和功耗的追求，不斷激勵著半導體制造行業技術人員的創新活力。一方面，先進的工藝制程代表著半導體制造業不斷創新的能力和技術水準。另一方面，采用先進的工藝制程能夠大幅提升代工企業的營收也是一個不爭的事實，也許這才是企業不斷謀求創新的源動力。

根據TSMC最新公布的2021年第三季度財報，該公司第三季度收入為148.8億美元，同比增長22.6%，比上一季度增長12.0%。本季度毛利率為51.3%，營業利潤率為41.2%，凈利潤率為37.7%。第三季度，5nm的出貨量占晶圓總收入的18%，7nm占34%，也就是說7nm及更先進的技術占到總收入的52%。據TSMC副總裁兼首席財務官黃文德（Wendell Huang）透露，進入2021年第四季度，預計行業對領先的5nm技術的需求將更加強勁。

03. 邁向3nm及以上的制程

從3nm節點開始，業界希望能從今天的FinFET晶體管過渡到全柵場效應晶體管（GAAFET）。目前的情況是，TSMC和三星在3nm制程節點上走了兩個不同的技術路線：三星將部署GAAFET，而TSMC可能在下一代繼續使用FinFET。

前文已經有很多內容描述半導體制造工藝的演進路線，我們為什么還要把3nm工藝節點拿出來單獨說一說呢？因為在這之后的節點上，芯片制造商可能需要購買新設備了，比如人盡皆知的極紫外（EUV）光刻機，以及新的沉積、蝕刻和檢驗/計量技術和設備等。

不用說，此時的設計和制造成本都可能是一筆天文數字。據IBS稱，3nm芯片的設計成本約為6.5億美元，而5nm芯片的設計成本為4.363億美元，7nm芯片的設計成本為2.223億美元。因此，拋開這些節點去談論一個芯片的價格還為時過早。可以想見，屆時的芯片價格將會達到一個新的高點。

接下來隆重登場的就是3nm及以上芯片制造必不可少的新型極紫外光刻機，這是一個技術難度高且價格極其昂貴的產品。即便如此，EUV光刻機還供不應求，是不是有些匪夷所思？之所以出現這樣的狀況是有原因的。

多年來，芯片制造商在晶圓廠主要使用基于光學的193nm光刻機，在多層圖案技術的幫助下，芯片制造商可將193nm光刻技術擴展到10nm甚至7nm。但在5nm和3nm節點時，當前的光刻技術基本沒辦法再用了，芯片制造商需要借助新型的EUV光刻技術，稱為高數值孔徑EUV（高NA EUV）。這也是EUV光刻機能夠大顯身手之處。EUV一直是一項難以開發的技術，今天，ASML最新的EUV光刻機使用13.5nm波長和0.33Na透鏡，能夠以每小時170片晶圓的吞吐量實現13nm分辨率。

Globale Market Insight數據報告顯示，2020年，半導體制造設備市場規模超過500億美元，預計2021年至2027年的復合年增長率將超過8%。集成設備制造商（IDM）因不斷增加的投資而成為市場的主力，他們在2020年占據了超過45%的收入份額。而前端半導體制造設備占據了超過60%的收入份額；到2027年，其增長率將達到9%左右。其中，EUV光刻技術的進步是推動半導體制造設備市場擴張的主力。從ASML公布的第三季度業績中可以看到，該公司在第三季度的凈銷售額達到52億歐元，凈收入為17億歐元。ASML預計2021年第四季度凈銷售額將在49億歐元至52億歐元之間。

圖4：全球半導體制造設備市場分布情況（圖源：Global Market Insight）

04. 展望未來

半導體制造并非易事，行業內的每家公司都深知這一點，即使是三星和Intel這樣的大公司也感受到了其中的艱辛。根據韓國商務部的報告，三星的5nm節點再次陷入困境，良率不足50%。通常，對于要進入大批量制造（HVM）的節點，良率需要在95%左右。如果達不到這個水平，則該節點的利潤就不會高。三星在Hwaseong建立的5nm V1產線使用了EUV光刻機，在工程師的持續努力下，預計產量將有所提高。

今年5月份，IBM公布了其突破性的2nm芯片技術，作為Intel的親密合作伙伴，預計這項技術將在幾年內，也可能在本世紀后半葉用于芯片的制造。TSMC近期釋放的消息顯示，公司5nm生產能力今年將翻一番，4nm正在提前運行，并已于去年11月完成了第一座3nm工廠的建設。

今年年初，TSMC將其2021年資本支出預算大幅提升至250億至280億美元，隨后將其進一步提升至300億美元左右，作為TSMC在制造能力和研發上花費1000億美元三年計劃的一部分，其中的80%將用于擴大先進技術的產能，如3nm、4nm/5nm和6nm/7nm。不久前，TSMC及其合作伙伴宣布在1nm工藝研究上取得了突破，該研究為1nm及以下的電子制造工藝提供了一條途徑，有助于突破當前半導體技術和材料的限制。

故事講到這里，你可能已經意識到，半導體制造業絕對是一個燒錢又燒腦的行當。那么，為何它還能夠一路向前持續發展呢？說白了，還不是因為我們這些消費者對高性能、小尺寸、低功耗電子設備的無窮無盡的追求么。在工作和生活中，你是否也曾遇到過一些有關半導體制造的讓人匪夷所思的事，包括技術、包括花錢......歡迎給我們留言吐槽！

審核編輯 黃昊宇