关于华为发布会没提的“7nm芯片”，你需要知道的9件事！

作者：刘润
来源：刘润（ID：runliu-pub）

今天，华为开了发布会。

恭喜华为。

这场全场景新品发布会，没提手机，没聊芯片。

但是，对于Mate 60系列手机，和它那块让很多人惊呼的“7nm芯片”的关注，依然在。

发布会的弹幕上，一度划过：手机呢？芯片呢？光刻呢？

时间回到28天前。

8月29日，华为Mate60 Pro手机，在没有任何宣传的情况下，突然开售。

紧接着，从各大热搜榜，到我的朋友圈，都被一个词刷屏了：7nm芯片。

很多第一批抢购到这款手机的人，都在不约而同地做一件事：拆。

把手机里的那块麒麟9000S芯片拆出来，跑分，验性能，看做到了什么水平。

结论是：这可能真的是7nm芯片。

一声惊雷。

很多人都在感慨：“最难的时候已经过去了，轻舟已过万重山。”

为什么这么说？要做出一颗7nm芯片，到底有多难？真的很了不起吗？做出或没做出，和我又有什么关系？只是买不买新手机的关系吗？

刚好，前段时间我的直播间请来了《芯片战争》的作者，余盛老师。我也借此机会看了一些资料，请教了一些朋友。我越来越有一种感觉：

要造出7nm芯片，真的需要越过万重山。

如果能越过，真的了不起。

这种了不起，真的值得你知道。

所以今天，我帮你梳理一下。

资料有点硬核，我争取用普通话来和你说。

先说让很多人起立惊呼的”7nm”。

首先一个问题：这个7纳米，指的到底是什么？

为什么都在关心这个数字，很厉害吗？

这件事，还得从你说起。

你去买手机时，是不是要它性能强，要它续航长，还要它轻薄身材好？

这三个要求，传到芯片的世界里，就变成了三个“终极KPI”：

PPA。

Performance 性能 、Power 功耗 、Area 尺寸。

这个PPA落到制造芯片的厂商那里，又变成了一个“小目标”：

把更多的晶体管，塞进更小的芯片里。

主打一个既有更多干活儿的员工，能帮你做更多更大的项目，又少耗你的电，少占你的地。

可是，员工太多，塞不下怎么办？

解决方案很过分：让员工减肥。

晶体管的构造里，有一道“沟”，很有点减肥的空间。

所以，注意，最开始聊芯片，说“你这是28nm芯片”，“我这是14nm芯片”时，28nm, 14nm，指的并不是芯片的大小，不是晶体管的大小，也不是晶体管和晶体管之间的距离，而是晶体管里的这个“沟道宽度”。

但是后来，聊着聊着，卷起来了。28nm，14nm，7nm……

卷到“7nm芯片”时，“沟道宽度”是不是真的减到了7nm，已经不是重点，各有说法了，但本质没变：

更小的纳米制程，就意味着更好的PPA，可以在更小的“办公室”里，塞下更多“员工”。

塞多少算够？

做出14nm芯片，意味着要在每1平方毫米里，塞下3千多万个晶体管。

做出7nm芯片，则意味着要在每1平方毫米里，塞下近1亿个晶体管。

翻倍的能干。但也，翻倍的艰难。

而这，仅仅只是“过万重山”的一个开始。

因为光塞得下还不够，那么多晶体管要一起协作，必须按特定的电路图来排兵布阵。

那么问题来了：怎么把一张精细到纳米级别，却又复杂到堪比上海地图的电路图，刻到比指甲盖还小的芯片上？

没错，就是靠那个听上去就很贵的办法：光刻。

靠光，怎么刻？

这事，说复杂，可以很复杂。一台光刻设备，十万多个零件，价格动辄上亿美金，还不包邮，算下来比一台波音737还贵，就只为能干成这件事。

但说简单，也很简单。你看过电影吗？

传统的胶片电影放映时，会先打出一束光，让光线穿过一个像放大镜一样的镜头，再穿过一层电影胶片，就能把胶片上的图案，投射到银幕上。

光刻也类似。也是打出一束光，穿过一组透镜系统，再穿过一层掩膜版，就能把掩膜版上刻着的电路图，投射到制作芯片的衬底，也就是晶圆片上。

区别只在于，放电影，是用“放大镜”，把小图投成大图。光刻，则是用“缩小镜”，把大图投成小图。

用光的投射做杠杆，真聪明。可是，到这一步，也只是清楚地描好了边，知道接下来往哪儿下手。

但，怎么下手？

一张7nm芯片的电路图，要把几十上百亿个晶体管和其它电子元件，都安排得明明白白。

并且，从晶体管，到连接晶体管的导线，都精细到了纳米级，比你家菜刀的刀刃还要细上10万倍。

有行业里的人曾形容：这就相当于要在一个指甲盖大小的地方，刻出整个上海。而且不能刻漏一间房，不能刻歪一条路。

太疯狂了。这要怎么刻？怎么刻，才能 “快、准、稳”地刻出这种电路图的沟沟壑壑？靠激光吗？

一开始，也不是没人试过。

可是，激光直写，纳米压印……一个个方法试下来，有的很贵，有的很慢，还有的很容易报废，很难商业化，谁这么刻谁亏钱。

直到，有人发现了一个非常有想象力的方法：

曲线救国。用光刻胶。

什么是光刻胶？

光刻胶，是一个对光挺敏感的东西。

一旦被特定波长的光照到，就会发生化学反应。

本来很硬气的，一照就怂了，变得能很轻易就被化学溶剂洗掉。

拿捏住这一点，光刻就有了全新的解题姿势：

不靠一笔一笔地物理雕刻，而靠一层一层地化学腐蚀。

涉及的工艺虽然很多，但思路大体上和“把大象关进冰箱”也差不多，主要就四步：

第一步，涂胶。往芯片的原材料，也就是晶圆片上，均匀地涂上一层光刻胶。

第二步，打光。让特定的光束，透过画了电路图的掩膜版。

有线条遮着的地方，照不到光，光刻胶是一种脾气。

没线条遮着的地方，照到了光，光刻胶就变成了另一种脾气。

第三步，洗胶。把两种脾气的光刻胶所覆盖的晶圆片，放进特定的化学溶液里，发生反应。

那些变了脾气的光刻胶被溶解后，电路图就在光刻胶层显示出来了。

第四步：蚀刻。把晶圆片放进腐蚀液里。

光刻胶依然没被溶解的地方，相当于覆盖了一层保护膜，而光刻胶被溶解了的地方，会直接接触到腐蚀液，被“快、准、狠”地蚀刻出与电路图相对应的沟沟壑壑。

光、掩版、光刻胶、晶圆片，再加上各种化学溶液，原以为难于上青天的物理题，突然就变成了一道平平无奇的化学题，被攻克了。

这，就是现在主流的光刻方式：

先像放电影一样，通过“缩小镜”的投影，把电路图投影到衬底上；

再像洗照片一样，通过局部曝光光刻胶，把电路图蚀刻到芯片上。

这样看上去，光刻也不算复杂啊。

看上去不。

但这里有一个关键难点，光的波长。

要刻出纳米级精细的电路图，至少，你手里的刀，也得足够精细吧。

怎样获得一把更精细的刀？

当你的刀是不锈钢做的时，你只要把刀刃磨锋利就行。

但当你的刀是一束光，你什么也磨不了时，怎么办？

从刀的材料源头解决：波长越短的光，天生刀刃越锋利。

因为波长越短的光，衍射的扩散角度越小，换句话说，就是越会乖乖走直线，不糊不乱跑，你指哪儿它打哪儿。

那还不简单，打开光谱图，直接找波长最短的那种光，用起来不就行了。

光谱图（图片来源:www.asml.com/en）

不简单。因为，短波长的光，不是你想用就能用的。

你有没有能力在成本可控的前提下，稳定而持续地发出它？你的光刻胶和它来不来反应？你的其它工艺流程能不能和它兼容？

都是难题。都得摸索。

摸索到今天，能让人效率稳定、成本可控地拿起的“光刀”，主要有2把：

DUV和EUV。

DUV，是一种光的名字：Deep Ultra-Violet（深紫外光）。波长可以短到193nm。

很多人认为，用这把“光刀”的光刻设备，基本只能刻出20nm以上制程的芯片。

EUV，也是一种光的名字：Extreme Ultra-violet（极紫外光）。看名字就知道，这种光卷得更狠，波长可以短到只有13.5nm。

谁拥有了这把刀，谁就有机会再往前一步，刻出7nm，甚至，5nm，3nm，2nm这样更先进的芯片。

太好了。那找短光波的问题不就解决了吗？

要制作7nm制程的芯片，就去用EUV啊。

技术问题是解决了。但其他问题来了。

有人卡脖子。

目前，世界上能生产出EUV光刻设备的公司，只有一家：荷兰的ASML。

2018年，中国的中芯国际，拿出了相当于它全年利润的1.2亿欧元，向ASML订购了中国第一台EUV光刻设备。

一笔大单。ASML也很高兴，连出口许可证，都准备好了。

但是，美国发声了。声称EUV光刻设备中有20%的美国零件，想要出口必须征求他们的同意。而他们不同意。

一纸禁令。怎么办？用不了可以刻7nm芯片的EUV，就造不出7nm芯片了吗？

能不能用只能刻20nm以上芯片的DUV试试？

有希望。

什么是浸没式光刻？

很简单，翻译一下，就是：泡到水里刻。

已知：你那把“光刀”的波长，越短越好。

又已知：DUV的光波，最短只能短到193nm。

一个刻出更先进芯片的思路，就出现了：能不能把DUV的波长，变得更短？

能，加水。

在晶圆表面和透镜之间，加上一层超纯水，纯净到不含矿物质、颗粒、细菌、微生物等任何杂质，只有氢离子和氢氧根离子的超纯水。

然后，让光在水中发生折射。

193nm的深紫外光，在水中的折射率为1.44，波长可以进一步缩短到134nm。

“刀刃”，就这样变得更锋利了。

太聪明了。

这个方法，把DUV光刻设备，从“在空气里刻”的干式时代，直接带进了“在水里刻”的浸没式时代。

但是，还不够。

靠这个方法迭代 “刀刃”，你有可能在你班里提提名次，把制造水平从28nm制程提升到22nm制程，但要一口气考上清华，搞定7nm制程，还是很难。

怎么办？

还可以再加上，另一个办法：多重曝光。

什么是多重曝光？

也很简单，翻译一下，就是：多刻几次。

如果，我就是要刻出更精细的芯片，但我就是没有手术刀，只有斧子，那……我能不能试着用斧子多劈几下呢？

也行。

具体怎么个劈法？

我举个例子，切糕。

你去买切糕，老板不拿手术刀，不拿菜刀，而是拿着斧头给你切。

一斧头下去，至少劈出1指宽，收你20块钱。

你不接受，你只想买7块钱的，可是你又没有更好的刀，怎么办？

挪案板，接着劈。

劈一次，把案板往旁边平移一次，照着1指宽的那块再劈一次。

多劈几次，平移得精确些，总能把1指宽的切糕劈得更窄，从20块钱里再劈出7块钱的。

劈一次，平移一次，再劈一次，直到劈出更窄的。

多重曝光，也一样。

上一组掩膜版，曝光相应位置的光刻胶，在晶圆片上加工出精细到间隔为134nm的线条。

然后平移一次放置晶圆片的底座。

再上一组掩膜版，再曝光一次，就能加工出67nm的线条。

重复几次，线条就能越来越精细。

这，就是多重曝光。

所谓的LELE工艺，LFLE工艺，SAPD工艺，本质上都是多重曝光，多刻几次的办法。

那就一直曝光，多曝光几次，不就能搞定7nm芯片了？

还是不行。这个办法，有极限。

多举几次斧头，会多费很多力气。多劈几次切糕，也会多很多把切糕切歪的概率。

多重曝光也一样。每曝光一次，就会多很多时间、耗材等成本，也会多很多报废的可能，降低芯片的良率。

更高的成本，更低的效率，都是用DUV光刻设备通过多重曝光制造7nm芯片，所必须付出的代价。

而芯片的制造，不止是一道技术题，还是一道经济题。除了“能不能做”，还要兼顾“值不值得”。

所以，很多资料都认为，综合考虑下来，就算加上浸没式光刻和多重曝光，造7nm芯片也几乎是DUV光刻设备的天花板了。

要想制造7nm芯片，乃至更先进的 5nm芯片，3nm芯片，还得是EUV光刻设备更靠谱。

真难。

要制造出7nm芯片，靠EUV光刻设备，买不到，靠DUV光刻设备，又有代价和天花板。

那未来怎么办？和我又有什么关系？

和你的关系，当然不止是买不买一台手机。

在科技行业，有三大定律。

摩尔定律，反摩尔定律，安迪比尔定律。

摩尔定律，你可能已经知道了。

这个英特尔公司创始人戈登·摩尔博士提出的定律预言:

每18个月，计算机等IT产品的性能会翻一番。

然后，是反摩尔定律。

谷歌的前CEO埃里克·施密特提出，如果反过来看摩尔定律，一个IT公司如果今天和18个月前卖出同样多的、同样的产品，它的营业额就要降低一半。

而安迪比尔定律，更像是预言后的祝福。

这个定律的原话，是 “Andy gives, Bill takes away.（安迪提供什么，比尔拿走什么。）”

安迪，指的是英特尔前CEO安迪·格鲁夫。

比尔，指的是微软前CEO比尔·盖茨。

这条定律，指的是硬件提高的性能，很快就会被软件消耗。

比如，你电脑里的英特尔CPU提到i5时，里面装的Windows系统也会紧接着升级，告别XP。

每次软硬件刚刚好匹配时，都是一次对算力的跨越。

现在，把这三个定律连起来，会发生什么？

先是，一个行业，会迭代。

大家惊呼7nm芯片，很快又会惊呼5nm, 3nm, 2nm, 1nm……

再是，一个公司，会发展。

你会看到更多热搜，聊手机的销量，聊对手手机的销量，聊高端市场的份额……

再后来，你可能换了个快一点的新手机，可能没换。

但是，与此同时，在硬件能力提升时，软件能力也有机会顺流而上。

一次对算力的跨越，会再次开启：

一个杭州的服装电商，某天会发现上游工厂一上新，下游客户就能在线选，可以再不用背库存压力。

一个石家庄的客服小哥，某天会发现他自己一个人可以服务一整座城。

一个南海的油气勘探工程师，某天会发现他可以一口气运算100TB的数据，给整个地表做CT。

你，会发现你的世界，进入了一个算力再次被提升，效率再次被刷新的时代。

7nm芯片的故事里，不止有芯片，还有算力，有科技发展，有竞争博弈。

这是一个百年不遇的大变局。

在这个变局的风浪里，有人高呼，轻舟已过万重山。

从没有7nm芯片，到拥有7nm芯片。从DUV，到 EUV。从一台新手机，到一种新算力。

都很艰难，都有可能。

但是，山外还有山。

7nm的外面，还有5nm，3nm，甚至2nm，1nm……

怎么办？

轻舟没有回答。它只是继续向前航行。

前进，前进。

祝福。