前段时间,10倍杠杆怎么操作突然听到有很多人在问: 中国自己的7nm光刻机,是不是真的造出来了? 起因,是9月9日国家工信部发布的一个通知:《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2024版)》。 有人发现,《目录》里有2行,不对劲。很不对劲。 看图。 这两行,是什么意思?是连一个形容词都没有,就突然静悄悄地官宣了中国自己的新光刻机吗? 下面那款光刻机的介绍里,怎么还有一个“≤8nm”?天哪,那不就是突破了卡脖子的“7nm”? 很快,有人说:太好了。轻舟已过万重山,实锤了。中国终于有了自己的7nm光刻机,可以造出自己的7nm芯片,不怕再被卡脖子了。 可是,还有人说:别激动。只是误会。那个“8nm”不是重点,它上面那个“65nm”才是。国产芯片还只在65nm的水平,努努力最多也就能够到28nm,离7nm还远得很。 两种声音,两种节奏。 不知道,你听完是什么感觉? “造出7nm芯片”,到底是个什么概念?做到这件事,真的很了不起吗?国家工信部《目录》里的那寥寥几个字,又意味着什么?我们在芯片上的脖子,还卡着吗? 我的感觉是,或许,可以先晚点再“感觉”。因为,对于大部分人来说,造芯片这件事,太陌生了。 比如,随便看一句新闻: “此次官宣的国产光刻机,是一个套刻≤8nm,分辨率65nm,干式,波长193nm,DUV光刻机。” 句子不算长,没有一个生僻字。但,如果不是对这行有了解的专业人士,有多少人能看懂?又能看懂多少个词? 或许,要真的对这件事有概念,不被轻易带节奏,至少得先了解10件事。 先从,1年前刷屏的那件开始。 一声惊雷 一年前的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,那几天从各大热搜榜,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,无论国内国外,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? 刚好,那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。 了解了一圈后,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,我帮你梳理了一下。 资料有点硬核,我争取用普通话来和你说。 先说,那个让很多人起立惊呼的“7nm”。 7nm 首先一个最底层的问题:这个7nm,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,你怎么才能在指甲盖那么点地方,把这成万上亿的员工,安排得明明白白? 光刻 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。 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,光透不过去,光刻胶还是本来的脾气。 没线条遮着的地方,光透过去了,和光刻胶一照面,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。 那些脾气相对更软的光刻胶,会被溶解,电路图,也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,把电路图投影到衬底上; 再像洗照片一样,把电路图蚀刻到芯片上。 这样看上去,光刻也不算难啊。 看上去不。 但这里有一个关键难点,光的波长。 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:) 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。 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。 有两个技术,可以带来希望:浸没式光刻,多重曝光。 浸没式光刻 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。 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。 举个例子,梳头。 提问:怎么才能把所有头发都梳到,梳得根根分明? 多梳几下。 有没有什么办法,能高效一点,梳一次就全部梳到位? 难,但也不是不能有。可以去义乌。找老板定制新梳子。 一颗头,有十几万根头发。要一次全部梳到位,那就造个至少也有十几万根梳齿的梳子。 可如果义乌的老板听完,说造不出来,或者造出来也不能卖你呢? 那就先不追求什么高效不高效了。还是多梳几下,先保证能全部梳到位就好。 多重曝光,也是这样。 如果一张“上海地图”的线条间隔,太过细密,太难“刻”,那就多刻几次。 把它拆分成线条间隔更疏朗的三个“图层”,再做成三张“掩膜版”,一张一张“刻”。最后,不也能套叠成一整张完整的“上海地图”? 头发,可以一遍一遍梳。电路图,也可以一层一层刻。 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。 聪明。那要7nm芯片,多曝光几次不就能搞定了? 理论上能。但实际上,这个办法有极限。 首先,人家用一张掩膜版,曝光一次。你用三张掩膜版,曝光三次。谁在成本和效率上更有竞争力? 其次,要把全头梳到位,至少得梳一次,动一下手,把梳子对准到另一个位置梳吧? 可是,一次一次梳时,怎么保证每次换新位置时,都100%对得准? 一层一层地“刻”时,又怎么保证最后几张套叠在一起时,能100%完全吻合? 保证不了。总会有误差。 这个误差值,就是“套刻”。 这次《目录》里被很多人划重点的那个“≤8nm”,对应的,就是套刻的值。 成本,效率,良率。 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”。 用DUV光刻设备通过多重曝光制造7nm芯片,或许可以帮忙够到高一点的地方,但也有代价和天花板。 所以今天,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。 要继续往前,制造7nm芯片,乃至更先进的 5nm芯片,3nm芯片,还得靠EUV光刻设备。 太难了。要么买不到,要么划不来。 那,有没有一种可能,走“自强不息”的路线,靠自己造出一台EUV光刻机? 嗯,你很有勇气。 EUV光刻机 造出一台EUV光刻机,有多难? 一个朋友给我的回答是: 如果说“用DUV光刻机造出7nm芯片”的难度系数是 “过万重山” ,那么“造出一台EUV光刻机”的难度系数,就是 “过万重珠穆朗玛峰”。 光刻机 为什么?EUV光刻机和DUV光刻机,一个字母之差,能有多大区别? 不都是发个光,投个影,再刻点沟沟壑壑吗,还能有多难? 这么说,也没错。那我们就照着这几个关节,一关一关说。 第一关:“发个光”,能有多难? DUV的光源,还只是准分子激光,和治疗近视的激光手术用的光差不多。 但是,EUV的光源,却是地球上原本不存在的光。 不存在?那怎么发? 现有的做法,是靠“殴打”一种金属:锡,把人家打到发光。 这个不简单但很粗暴的过程,大概分三步: 第一步,从半空中滴下来一颗液体的锡珠。 锡珠要小。 小到直径只有20微米,和你的1个细胞差不多大。 第二步,用一束高能激光,不断轰击滴下来的锡珠。 动作要快。 同一个锡珠至少轰击两次,第一次打扁,第二次汽化。 打得它原子电离,发出很气愤的辐射,发出你想要的那束光。 第三步,持续轰击,持续发光。 手不能停。 要保持每秒钟至少连续轰击50000次,才能保证它一直崩溃,一直电离,你一直有光,刻得很稳。 这些,你有能力做到吗?能做到的话,你就可以进入下一关了。 第二关:“投个影”,有什么了不起? 波长越短的光,有一个不靠谱的特点:很容易被吸收,还没投到光刻胶那里开始干活,就已经散得差不多了。 怎么办? 得靠“镜子”。 目前的EUV光刻机里,设了很多“镜子”,也就是聚焦反射器,来确保EUV的光,能更少被半路吸收,更安全地到达光刻胶。 这些“镜子”需要多平整呢? 用技术的话来说:面形精度峰谷值0.12纳米,表面粗糙度20皮米。 翻译成普通话来说: 如果把这面“镜子”放大到地球那么大,它上面只允许有一根头发丝那么细的凸起。 怪不得有人感慨说,这种“镜子”, 可能是宇宙中最光滑的人造物体了。 现在,就算你能造出这种镜子,光刻也才刚刚开始。 第三关:“刻出沟沟壑壑”,又要越过几重山? 怎么才能在这么极端的精度下,刻出相应的沟沟壑壑? 除了一把极端锋利的刀,你还需要有一个极端稳定的工作环境。 以ASML公司的无尘室为例, 内部的空气,需要比外部干净1万倍。 要做到这一点,你至少需要一套每小时能净化30万立方米的空气的通风设备。 除了空气,工作环境里用的水、光……都需要超洁净,需要特别处理。 光刻机原理示意 “发个地球上不存在的光”。 “用人类最光滑的镜子投个影”。 “在连空气都要干净1万倍的环境里刻点沟沟壑壑”。 这,就是要造出一台和别人现在用的差不多的EUV光刻机,至少要爬的几座山峰。 天哪。深吸一口气。 但,还是忍不住想看看,我们今天,爬到哪儿了? 未来 还记得,最开始那行介绍吗? 现在,再看一遍,你是什么感觉? “此次官宣的国产光刻机,是一个套刻≤8nm,分辨率65nm,干式,波长193nm,DUV光刻机。” 这意味着什么? “套刻≤8nm”,指的只是一个“梳头”时的误差,而不是“可以造出7nm芯片”的水平。 “分辨率65nm”,意味着有机会能刻出65nm芯片,不计代价多重曝光的话,或许还能努力够到28nm芯片。 “干式”,意味着前方还有一座“浸没式”的山要爬。 “波长193nm的DUV光刻机”,意味着前方还有一座“波长可以短到13.5nm的EUV光刻机”的珠穆朗玛峰要翻。 怎么还有那么多山?我们什么时候才能爬完? 什么时候,我们才能真正造出7nm制程,乃至更先进,更能和世界水平比肩的国产光刻机,不再被卡脖子? 说法很多。或许,你也听过一些。比如: 前几年,有人说,不可能。“就算把图纸给他们,也不可能造出来光刻机。” 这几天,有人说,还很远。“可能还要十几年,因为世界当前最先进的ASML,走完这段路就是花了十几年。” 但很快,也有人说,不好说。“ASML花十几年做出来的背后,有全球几十个国家的合作,和国内外数千家供应商的配合。” 嗯,听说过。可是,各有各的说法,那我怎么判断?有没有,来自更前线的说法? 今年的手机发布会上,华为没有多说。但9月19日,华为副董事长、轮值董事长徐直军在华为的另一场大会上,曾简单说过2句: 1,“中国大陆的芯片工艺制造将在很长一段时间处于落后,我们要做好长期的算力解决方案。” 2,“华为的战略是从可获取的制造工艺出发,进行系统性的创新与改进”。 那,国家工信部的《目录》呢?说得更简单。看标题: 《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2024版)》。 什么是“重大”?有突破,且很关键的。而很关键的,往往还会继续突破。 什么是“推广”?很先进,且可量产的。而投入量产的工厂之外,往往还有更先进的实验室。 那,实验室之外呢?还有吗? 前几天,去墨西哥参访,看见那里有很多中国的新能源汽车在建厂; 再前几天,刷到“华为”的热搜,排在它下面的那一条是国产大飞机“C919”的量产和交付; 再之前呢?国家统计局公布了2024年上半年国民经济运行情况,其中,高技术产业投资同比增长10.6%,快于全部投资6.7个百分点...... 创新,改进。继续突破,继续研究。更多拓展,更多投入。 7nm芯片的故事里,从不止有芯片,和算力,还有科技发展,和竞争博弈。 这是一个百年不遇的大变局。 在这个变局的风浪里,总有人高呼: 轻舟已过万重山。 确实,从没有7nm芯片,到拥有7nm芯片。从DUV,到EUV。从一份新文件,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…… 芯片的外面,还有人工智能,新能源,航空航天,海洋工程...... 怎么办? 轻舟很少回答。它们只是继续向前航行。 (责任编辑:) |