中芯7nm晶片製造陷入困境的真相

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

雖然中芯國際(SMIC)掌握7奈米晶片製造技術使其成為媒體的頭條新聞,但檢視其製程技術「大躍進」的真正價值更重要...

中芯國際(SMIC)掌握7奈米晶片製造技術的消息一直讓人感到不可思議。儘管如此,雖然這使得中芯國際成為技術和商業媒體的頭條新聞,但檢視其製程技術「大躍進」的真正價值更至關重要。

中芯國際如何在其新開發的7奈米節點上量產晶片?為了挺進7奈米製程,中芯在美國實施的出口禁令下必須使用逐漸被淘汰的技術,但他們願意為此投入多少?筆者期望藉此部落格試圖回答這個重要但棘手的問題。

不過,在此之前,讓我們回顧一下中芯國際在7奈米製程節點上的崛起。7奈米製程在2018年發佈時就被公認為是晶片製造的分水嶺。相較於其前一代的14奈米節點,7奈米晶片由於在晶片上的每單位面積封裝了更多的電晶體,顯著地提高了性能,同時也更具經濟效益。

而且,在無需使用極紫外光微影(EUV)設備的情況下也能建構7奈米節點,它可以採用廣泛可取得的深紫外光(DUV)技術來製造7奈米晶片。事實上,台積電(TSMC)在其7奈米晶片生產的早期階段正是使用了DUV設備。根據一些媒體與產業分析報導,中芯國際為了迎頭趕上這一製程節點,有部份「抄襲」了台積電的N7製程技術。


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然而,正如拆解分析公司TechInsights對中芯國際7奈米晶片的研究所揭露的,使用DUV技術對於晶片設計增加了許多複雜性。首先,使用DUV設備需要更多層光罩,導致必須為7奈米晶片進行三重或四重曝光圖案化(patterning)。另一方面,EUV設備只需曝光一次晶片,即可將晶片圖案放置在晶圓表面上,這使得EUV技術成為7奈米及更小節點的重要支柱。

在此情況下,中國半導體產業專家Douglas Fuller對英國《金融時報》(Financial Times)表示,中芯國際的7奈米製程進展被過度誇大了,事實上,這家中國最主要的晶圓廠只是利用更多重曝光來彌補EUV工具的不足。他還對中芯國際7奈米晶片製程的製造良率提出質疑。

根據一些業界觀察家的看法,中芯國際7奈米的每片晶圓良率約在15%左右,但這使得在此製程節點製造的晶片非常昂貴,大約比台積電7奈米節點製造的晶片市場價格更高10倍。同時,值得注意的是,以中芯國際7奈米節點製造的加密挖礦晶片採用高度平行設計,這表示其複雜度較低。

歸根究底,中芯國際在7奈米製程的技術突破,更脫離不了中國半導體自給自足的政治原因,而非來自市場經濟。然而,與此同時,這其實更像是一個準7奈米(quasi-7nm)晶片製造製程,可能成為後續發展真正7奈米製程節點的墊腳石。如今,在這方面還缺少的一環是ASML的EUV技術,但該技術目前在中國的半導體晶圓廠中仍然被禁止使用。

值得注意的是,在對EUV技術實施出口禁令後,有報導指稱美國已與荷蘭ASML和日本尼康株式會社(Nikon)接洽,同樣要求停止向中國提供DUV設備。但這並不重要,畢竟中國的晶圓廠現在肯定已經購買足夠數量的DUV機器了。基於DUV的微影技術自1980年代就已經存在。

中芯國際顯然一直在力爭上游,追尋更小、更先進的晶片製造節點。儘管自2021年擁有28奈米製程技術以來已經走了很長一段路,但其未來的發展藍圖還充滿著巨大的技術障礙。反思在其對良率、製造成本以及更重要的EUV技術禁運等顧慮,出貨7奈米晶片只是朝此發展藍圖跨出重要的第一步。

編譯:Susan Hong

(參考原文:The truth about SMIC’s 7-nm chip fabrication ordeal,by Majeed Ahmad )

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