作者 | 马超
责编 | 胡巍巍
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
据羊城晚报报道，近日中芯国际从荷兰进口的一台大型光刻机，顺利通过深圳出口加工区场站两道闸口进入厂区，中芯国际发表公告称该光刻机并非此前盛传的EUV光刻机，主要用于企业复工复产后的生产线扩容。
EUV主要用于7nm及以下制程的芯片制造，光刻机作为集成电路制造中最关键的设备，对芯片制作工艺有着决定性的影响，被誉为“超精密制造技术皇冠上的明珠”，根据之前中芯国际的公报，目前该公司最先进制程为第一代FinFET，制程14nm，目前已贡献2019年第四季度1%营收。
据路透社报道称，美国为限制华为，正考虑修改《外国直接产品规则》，要求使用美国芯片制造设备的外国公司，必须向美国申请许可，才可以向华为供货。根据之前的美国规定，美国以外的企业，只要使用超过25%以上的美国技术，就要遵守美国相关法律，而现在这个比例或将降至10%。
也就是说中国的企业可能会在芯片方面受到更多的外界限制。在这个大背景下中芯国际进口这样的光刻机对于我国来说可谓意义重大，这其中受益最大的肯定是华为与阿里这些有自主芯片设计能力的公司，他们在寻求芯片代工厂商时终于有了新的选项。下面笔者就从专业角度向大家解读一下有关光刻机背后的门道。
芯片制造工艺的演进
而回顾半导体的制造，主要经历了如此几个阶段。
MOS时代
20世纪50年代末贝尔实验室研制出MOS管，也就是金属-氧化物半导体场效应晶体管，在MOS管推出不久能够量产晶体管的平面工艺诞生，通过氧化、光刻、等一系列的流程，可以制作出晶体管集成电路，也就是我们目前所说的芯片，不过当时还只能称为集成电路时代原件密度比现在要低的多，不过这也成为了制造各种半导体器件与集成电路的基本工艺技术，也是光刻技术的原型。
FinFET
但是MOS管也并不尽善尽美，其制程存在着20nm的极限，不过在2000年加州大学伯克利分校的胡正明教授在发表了一篇文章《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》，在该论文提出了一种名为FinFET晶体管结构，中文译名为“鳍式场效应晶体管”，顾名思义，这种晶体管结构形状也就类似于鱼鳍。
FinFET使得芯片制程突破了20nm的工艺关键节点，是推动当代工艺进一步缩小的关键技术。
GAAFET
（Gate-All-Around）由Imec（Interuniversity Microelectronics Centre）提出。GAA也就是横向晶体管技术，也可以被称为GAAFET。这项技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状（可以理解为棍状）或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后，实现MOSFET的基本结构和功能。这样设计在很大程度上解决了栅极间距尺寸减小后带来的各种问题，包括电容效应等，也可以突破目前7nm的制程极限，不过这项技术目前还没有正式的商用。
而光刻技术恰恰是芯片制造中的关键，下面我们来聊一下光刻技术的相关内容。
EUV光刻技术
EUV（Extreme Ultra-violet）极紫外光刻，是目前最为先进的光刻技术，光源对制程工艺是决定性影响的，目前非EUV的光源还无法突破7nm的极限。
在一台光刻机中激光器负责光源产生，首先是激光器发光，经过矫正、能量控制器、光束成型装置等之后进入光掩膜台。
而光刻机的分辨率原理图如下，下图中AB两点的距离就是不同元件间的距离, 光刻机分辨率=k1*λ/NA：
随着半导体工业节点的不断提升，为提高分辨率指标，光刻激光波长也在不断的缩小，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，现在DUV光刻机是应用最多的，光源是ArF（氟化氩），从45nm到7nm工艺都可以使用这种光刻机，但是到了7nm这个节点就是DUV的极限，所以英特尔、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术。
制程为何如此重要
前文中我们一直在强调一个概念就是芯片制程，这里也再为大家科普一下制程的相关概念，在20世纪60年代，仙童半导体的Gordon Moore在《电子学》杂志上，发表论文提出了如雷贯耳的摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可以容纳的元器件的数目，将每隔一年增加一倍，这其实就是指原件的密度会不断增大，也就是原件之间的间隔距离不断减少，而在芯片中不同原件的距离就是制程，所以摩尔定律也可以被称为是制程定律。
CPU是做以0和1为基础的逻辑运算的，其关键就是要判断晶体管中的电位情况。当在Gate端做电压供给，电流就会从Drain端到Source端，如果没有供给电压，电流就不会流动，通过这样的表示1和0。
缩减元器件之间的距离之后，晶体管之间的电容也会更低，从而提升它们的开关频率。那么，由于晶体管在切换电子信号时的动态功率消耗与电容成正比，因此，它们才可以在速度更快的同时，做到更加省电。
另外，这些更小的晶体管只需要更低的导通电压，而动态功耗又与电压的平方成反比，这时能效也会随之提升。以10nm制程的骁龙835为例， 在集成了超过30亿个晶体管的情况下，体积比14nm骁龙820还要小35%，整体功耗降低了 40%，性能却大涨27%。因此我们可以看到一款芯片最大的宣传点就是他的制程。
但是正如前文所述我国芯片制造的水平还停留在14nm，比国际最高水平落后了一代。不过从中我们也可以看到，只有当我们掌握了14nm的制程技术，才能进程得到相关设备。这也从一个侧面说明了自主创新的重要性。
国产芯片当自强
目前我国各大IT巨头，尤其是华为和阿里都已经有了很强的芯片设计能力，比如阿里平头哥半导体的MCU芯片平台无剑100就已经开源；阿里达摩院的AI芯片含光800其算力相当于10颗GPU，含光800推理性能达到78563 IPS，能效比500 IPS/W，相比传统GPU算力，性价比提升100%。
目前我国各大IT巨头，尤其是阿里和华为都已经有了很强的芯片设计能力，比如阿里平头哥半导体的MCU芯片平台无剑100就已经开源；AI芯片含光800的算力相当于10颗GPU，推理性能达到78563 IPS，能效比500 IPS/W，相比传统GPU算力，性价比提升100%。
而华为海思半导体的麒麟系列芯片以及昇腾系列AI芯片都达到了国际领先的水平，尤其是台积电二代的7nm工艺制造的海思麒麟990芯片，更是用在华为多种型号的手机上，大有与高通的骁龙系列芯片分庭抗礼之势。
不过正如本文所述我国在芯片制造上还存在着巨大的短板，而本次到来的光刻机虽非EUV，但是相信也会让中芯国际14nm芯片的产能得到大幅提升，会是我国的在芯片制造方面的重要补充。没有一个冬天不会过去，没有一个春天不会到来，愿疫情过后我国的芯片制造行业也能迎来春天。
作者简介：马超，CSDN博客专家、华为云MVP，金融科技行业资深从业者，著名的国产操作系统及数据库软件的布道者
【End】
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