農(nóng)業(yè)立國(guó),、制造業(yè)強(qiáng)國(guó),，自第一次工業(yè)革命至今，制造業(yè)都是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)準(zhǔn),。中國(guó)作為世界工廠,，制造業(yè)產(chǎn)值全球矚目，然而在高端制造業(yè)領(lǐng)域,，卻一直比較落后,。特別是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，芯片制造一直是國(guó)內(nèi)制造業(yè)的短板,。以華為為例,，在手機(jī),、筆記本電腦、5G 基站領(lǐng)域無往而不利,，結(jié)果卻因?yàn)闊o法與臺(tái)積電繼續(xù)合作而功敗垂成,。
臺(tái)積電究竟有什么了不起，它為什么能決定華為的“生死”,，臺(tái)積電,、三星、英特爾有什么區(qū)別,，它們與芯片制造又有什么關(guān)系,？小黑這篇文章將為大家解讀！
從一顆沙子到一顆芯片
小黑記得,，初中生的課本上就講過,，芯片的制程材料是硅，與沙子的主要成分一致,。然而,，從一顆沙子到一顆芯片，卻是這個(gè)世界上最為艱難的“旅程”,，涉及全球數(shù)百家頂級(jí)公司,，哪怕有一個(gè)環(huán)節(jié)失衡都會(huì)功虧一簣。
芯片的誕生過程主要分為IC設(shè)計(jì),、IC制造和IC封測(cè)三大環(huán)節(jié),。IC 設(shè)計(jì)，顧名思義就是畫圖紙,，指導(dǎo)工廠如何制造芯片,。可能有的小伙伴不了解,，畫圖紙有什么難的,，隨便拉來一個(gè)工科大學(xué)生都會(huì)畫。
其實(shí),，IC 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)沒有這么簡(jiǎn)單,。一顆芯片最大不過小拇指指頭大小，其中卻包含了近百億晶圓,，如此龐大的晶圓需要細(xì)致地畫出圖紙,，即使世界上最小的筆也無法實(shí)現(xiàn)。因而IC 設(shè)計(jì)需要EDA 工具來輔助設(shè)計(jì),。
EDA 又叫電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,，在EDA工具誕生之前，設(shè)計(jì)人員必須手工完成集成電路的設(shè)計(jì),、布線等工作,。隨著上世紀(jì)七十年代集成電路復(fù)雜程度與日俱增,，開發(fā)人員嘗試將整個(gè)設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化,，通過編程語言來輔助設(shè)計(jì),，芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合,、驗(yàn)證,、物理設(shè)計(jì)、布局,、布線,、版圖、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等都可以通過EDA 工具來模擬,。
▲ EDA工具
由于EDA工具極為復(fù)雜,，市場(chǎng)基本只有少數(shù)企業(yè)能夠完成，Synopsys,、Cadence和Mentor是目前主流EDA工具廠商,，所有IC 設(shè)計(jì)廠家都離不開他們。
有了EDA工具之后,，就可以從容進(jìn)行IC 設(shè)計(jì),，華為海思就是一家IC 設(shè)計(jì)廠商，通過不斷設(shè)計(jì),、優(yōu)化,，讓芯片發(fā)揮更大的功效。以前,，IC 設(shè)計(jì)分為PC端與移動(dòng)端（或者說手機(jī)端）,，蘋果、華為,、高通,、三星、聯(lián)發(fā)科在智能手機(jī)芯片設(shè)計(jì)上處于領(lǐng)先地位,，英特爾與AMD 在PC端處于領(lǐng)先地位,。然而，上個(gè)月蘋果發(fā)布的M1 PC端芯片打破了這一格局,，目前蘋果橫跨PC端與移動(dòng)端,，技術(shù)明顯領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)者。
眾所周知,，蘋果的研發(fā)實(shí)力舉世罕見,，不過蘋果芯片強(qiáng)大的實(shí)力背后，還有臺(tái)積電的鼎力支持,。蘋果M1 芯片震撼世人,，臺(tái)積電至少有一半功勞,。很多人都知道臺(tái)積電是代工廠，但是大部分人都不知道,，臺(tái)積電與蘋果所有的代工廠都不一樣,，它獨(dú)有的技術(shù)甚至可以改變世界。
發(fā)文
制程的差異
在蘋果手機(jī)上游,，有著長(zhǎng)長(zhǎng)的供應(yīng)鏈名單,，有提供手機(jī)比例的藍(lán)思科技，有提供屏幕的三星,、LG,，有提供內(nèi)存的美光、海力士,，還有提供組裝的富士康,、立訊精密，但是這些供應(yīng)商加起來,，也沒有臺(tái)積電對(duì)蘋果的影響大,。
無論是手機(jī)還是電腦，其核心都是硬件性能,，蘋果如果想要保持領(lǐng)先的處理器性能,，就必須使用臺(tái)積電的制造工廠。原因很簡(jiǎn)單,，臺(tái)積電的工藝水平超出競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一大截,。
小黑在前面說過，芯片制造主要分為IC設(shè)計(jì),、IC制造和IC封測(cè),，現(xiàn)階段IC封測(cè)對(duì)芯片性能影響不大，主要就靠IC設(shè)計(jì)與IC制造,。而在IC制造領(lǐng)域,，主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是制程。在最近幾年的手機(jī)發(fā)布會(huì)上,，制程這個(gè)詞屢屢出現(xiàn),。Mate 30 首發(fā)臺(tái)積電7nm 制程，iPhone12 首發(fā)臺(tái)積電5nm制程,，高通驍龍888 首發(fā)三星 5nm 制程,，此類報(bào)道屢見不鮮。
從表面上看,，臺(tái)積電與三星處于第一梯隊(duì),，制程工藝達(dá)到5nm；英特爾處于第二梯隊(duì)，制程工藝才剛剛達(dá)到10nm,；再后面就是國(guó)內(nèi)的中芯國(guó)際,，以及放棄先進(jìn)制程的格羅方德、臺(tái)聯(lián)電等廠家,，制程工藝還停留在14nm,。
事實(shí)上，制程工藝在各大制程廠家有著完全不同的定義,，在14nm工藝之前,，大部分廠家都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)命名,。大名鼎鼎的“摩爾定律”,，描述的就是制程工藝之迭代：?jiǎn)挝幻娣e上晶體管數(shù)量，每18個(gè)月增加一倍,。
然而,，14nm之后，三星與臺(tái)積電先后拋棄這一標(biāo)準(zhǔn),，各自制定獨(dú)特的制程標(biāo)準(zhǔn),，因而對(duì)比晶體管密度或許更有意義。
▲ 制程工藝與晶體管密度
以晶體管密度來衡量,，只有英特爾嚴(yán)格按照摩爾定律命名工藝節(jié)點(diǎn),，英特爾的的10nm制程工藝趕超臺(tái)積電7nm制程，略遜于三星的6nm制程與臺(tái)積電的7nm＋制程,。在最先進(jìn)的制程工藝方面,，目前臺(tái)積電5nm制程工藝遙遙領(lǐng)先，三星5nm制程工藝雖然名字都是5nm,，但是晶體管密度差距明顯,，真實(shí)實(shí)力遠(yuǎn)遜于臺(tái)積電5nm制程。
大名鼎鼎的“摩爾定律”,，描述的就是制程工藝之迭代：?jiǎn)挝幻娣e上晶體管數(shù)量,，每?jī)赡辏ㄒ灿姓f法是 18 個(gè)月）增加一倍。至于英特爾,，10nm 制程才剛剛用于輕薄本低壓芯片,，7nm制程遙遙無期。按照原計(jì)劃,，晶體管密度比臺(tái)積電5nm更高的英特爾7nm制程將于2021年量產(chǎn),，屆時(shí)英特爾將與臺(tái)積電處于同一水平（臺(tái)積電2021年計(jì)劃推出5nm＋制程）。結(jié)果幾個(gè)月前,，英特爾宣布由于技術(shù)缺陷,，英特爾7nm將推遲到2022年底或2023年初，這一表態(tài)也直接導(dǎo)致英特爾股價(jià)暴跌,。
先進(jìn)制程帶來優(yōu)勢(shì)
前文說到,，先進(jìn)制程可以增加晶體管密度,，換句話說同樣面積的芯片，可以“塞入”更多晶體管,。像蘋果A14 處理器,，單顆芯片塞入了118億晶體管，而華為麒麟9000處理器,，更是塞入153億晶體管,。雖然晶體管數(shù)量不代表芯片性能，但是在IPC 設(shè)計(jì)水平相同的情況下,，晶體管數(shù)量越多性能肯定越強(qiáng)（蘋果設(shè)計(jì)水平高,，因而在晶體管數(shù)量少的條件下性能更強(qiáng)）。
另一方面,，先進(jìn)制程還能帶來功耗降低,。臺(tái)積電表示，與7nm工藝相比,，同樣的性能下5nm工藝功耗降低30％,。通俗地說，5nm工藝可以用更少的電量實(shí)現(xiàn)同樣的性能,。5nm制程的使用,，也是蘋果M1 芯片續(xù)航暴增的原因之一。
與英特爾,、AMD 兩大主流PC 芯片廠家相比,，蘋果M1 芯片續(xù)航優(yōu)勢(shì)主要在兩大方面：一方面，arm架構(gòu)天生比X86 架構(gòu)省電,；另一方面,，就是蘋果 M1 芯片在制程上領(lǐng)先。以英特爾為例,，上一代蘋果macbook 采用的10代i7 采用的是英特爾14nm＋＋＋＋ 制程工藝,，與臺(tái)積電5nm 有著接近兩代的工藝節(jié)點(diǎn)差距，因此才會(huì)出現(xiàn)性能,、續(xù)航都是被“吊打”的局面,。
當(dāng)然，這樣對(duì)比并不公平,，畢竟英特爾最新發(fā)布的11代i7 已經(jīng)用上10nm 制程工藝,。可惜,，英特爾10nm也只能跟臺(tái)積電7nm,、7nm＋媲美，綜合性能依然落后于臺(tái)積電5nm。因此11代i7也只能在單核性能上與M1 “打得”不相上下,，多核性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于M1,。至于續(xù)航，采用11代i7處理器的筆記本電腦,，續(xù)航通常在10小時(shí)左右,，而M1 續(xù)航已經(jīng)達(dá)到18 小時(shí)以上。
手機(jī),、電腦的性能取決于設(shè)計(jì)與制造,，制造的關(guān)鍵又在于制程。在芯片誕生的歷程上,，設(shè)計(jì),、制造缺一不可，今年華為如此艱難,，就是因?yàn)橹徽莆樟诵酒O(shè)計(jì),，在芯片制造上找不到臺(tái)積電的替代品,。因此,，臺(tái)積電終止與華為合作，麒麟芯片也就無法生產(chǎn),，華為整個(gè)手機(jī)部門都面臨“缺芯”難題,，為了生存甚至拆分榮耀。
制造業(yè)是立國(guó)之本,，而芯片制造又是制造業(yè)王冠上的寶石,，在外部環(huán)境波瀾詭譎的情況下，全面提升芯片設(shè)計(jì)與制造迫在眉睫,。如今,，在整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，華為海思,、紫光展銳在IC 設(shè)計(jì)上處于第一,、第三梯隊(duì)；中芯國(guó)際,、華虹半導(dǎo)體在IC 制造上處于第三,、第四梯隊(duì)；華大九天,、上海微電子在EDA 工具,、光刻機(jī)制造領(lǐng)域還處于剛剛?cè)腴T水平。半導(dǎo)體研發(fā)之路光榮而艱巨,，國(guó)內(nèi)廠家想拿下這顆制造業(yè)王冠上的寶石,，所面臨的阻礙與挑戰(zhàn)還有很多。對(duì)此，小黑只想說：“加油,，中國(guó)半導(dǎo)體人,！”