小二先生 调教
这两行,是什么意料?是连一个描写词齐莫得,就倏得静暗暗地官宣了中国我方的新光刻机吗?
底下那款光刻机的先容里,如何还有一个“≤8nm”?天哪,那不即是破裂了卡脖子的“7nm”?
很快,有东谈主说:太好了。轻舟已过万重山,实锤了。中国终于有了我方的7nm光刻机,不错造出我方的7nm芯片,不怕再被卡脖子了。
但是,还有东谈主说:别喜悦。只是诬告。阿谁“8nm”不是重心,它上头阿谁“65nm”才是。国产芯片还只在65nm的水平,努死力最多也就能够到28nm,离7nm还远得很。
两种声息,两种节律。
不知谈,你听完是什么嗅觉?
“造出7nm芯片”,到底是个什么意见?作念到这件事,确凿很了不得吗?国度工信部《目次》里的那寥寥几个字,又意味着什么?咱们在芯片上的脖子,还卡着吗?
我的嗅觉是,随机,不错先误点再“嗅觉”。因为,对于大部分东谈主来说,造芯片这件事,太生分了。
比如,坚决看一句新闻:
“这次官宣的国产光刻机,是一个套刻≤8nm,分歧率65nm,干式,波长193nm,DUV光刻机。”
句子不算长,莫得一个荒凉字。但,要是不是对这行有了解的专科东谈主士,有若干东谈主能看懂?又能看懂若干个词?
随机,要确凿对这件事成心见,不被松开带节律,至少得先了解10件事。
先从,1年前刷屏的那件开动。
一声惊雷
一年前的8月29日,华为Mate60 Pro手机,在莫得任何宣传的情况下,倏得开售。
紧接着,那几天从各大热搜榜,到我的一又友圈,齐被一个词刷屏了: 7nm芯片。
许多第一批抢购到这款手机的东谈主,不管国表里洋,齐在殊途同归地作念一件事:拆。
把手机里的那块麒麟9000S芯片拆出来,跑分,验性能,看作念到了什么水平。
论断是:这可能确凿是7nm芯片。
一声惊雷。
许多东谈主齐在感叹:“最难的时候照旧夙昔了,轻舟已过万重山。”
为什么这样说?要作念出一颗7nm芯片,到底有多难?确凿很了不得吗?
刚好,那段时刻我的直播间请来了《芯片讲和》的作家,余盛憨厚。我也借此契机看了一些而已,求教了一些一又友。
了解了一圈后,我越来越有一种嗅觉:
要造出7nm芯片,确凿需要逾越万重山。
要是能逾越,确凿了不得。
这种了不得,确凿值得你知谈。
是以今天,我帮你梳理了一下。
而已有点硬核,我争取用鄙俚话来和你说。
先说,阿谁让许多东谈主起立惊呼的“7nm”。
7nm
率先一个最底层的问题:这个7nm,指的到底是什么?
为什么齐在眷注这个数字,很历害吗?
这件事,还得从你提及。
你去买手机时,是不是 要它性能强,要它续航长,还要它轻佻身段好?
这三个条款,传到芯片的宇宙里,就酿成了三个“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边,又酿成了一个“小打算”:
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职工,能帮你作念更多更大的面孔,又少耗你的电,少占你的地。
但是,职工太多,塞不下如何办?
解决决策很过分:让职工减肥。
晶体管的构造里,有一谈“沟”,很有点减肥的空间。
是以,难得,最开动聊芯片,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“沟谈宽度”。
但是自后,聊着聊着,卷起来了。28nm,14nm,7nm……
卷到“7nm芯片”时,“沟谈宽度”是不是确凿减到了7nm,照旧不是重心,各有说法了,但骨子没变:
更小的纳米制程,就意味着更好的PPA,不错在更小的“办公室”里,塞下更多“职工”。
塞若干算够?
作念出14nm芯片,意味着要在每1通俗毫米里,塞下3千多万个晶体管。
作念出7nm芯片,则意味着要在每1通俗毫米里,塞下近1亿个晶体管。
翻倍的颖慧。但也,翻倍的深邃。
而这,只是只是“过万重山”的一个开动。
因为,光塞得下还不够,你如何才能在指甲盖那么点场地,把这成万上亿的职工,安排得清纯洁白?
光刻
没错,即是靠阿谁听上去就很贵的目的:光刻。
靠光,如何刻?
这事,说复杂,不错很复杂。一台光刻斥地,十万多个零件,价钱动辄上亿好意思金还不包邮,算下来比一台波音737还贵。就只为颖慧成这件事。
但说浮浅,也很浮浅。 你看过电影吗?
传统的胶片电影放映时,会先打出一束光,让光泽穿过一个像放大镜同样的镜头,再穿过一层电影胶片,就能把胶片上的图案,投射到银幕上。
光刻也近似。亦然打出一束光,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,也即是晶圆片上。
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。
用光的投射作念杠杆,真聪惠。
但是,到这一步,也只是明晰地描好了边,知谈接下交易哪儿下手。
但,如何下手?
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,齐安排得清纯洁白。
况且,从晶体管,到邻接晶体管的导线,齐紧密到了纳米级,比你家菜刀的刀刃还要细上10万倍。
有行业里的东谈主曾描写: 这就杰出于要在一个指甲盖大小的场地,刻出通盘这个词上海。而且不成刻漏一间房,不成刻歪一条路。
太荒诞了。这要如何刻?如何刻,才能 “快、准、稳”地刻出这种电路图的沟沟壑壑?靠激光吗?
一开动,也不是没东谈主试过。
但是,激光直写,纳米压印……一个个要领试下来,有的很贵,有的很慢,还有的很容易报废, 很难买卖化,谁这样刻谁亏钱。
直到,有东谈主发现了一个相配有设想力的要领:
弧线救国。用光刻胶。
光刻胶
什么是光刻胶?
光刻胶,是一个对光挺明锐的东西。
一朝被特定波长的光照到,就会发生化学反映。
本来很硬气的,一照就怂了,变得能很松开就被化学溶剂洗掉。
拿抓住这少许,光刻就有了全新的解题姿势:
不靠一笔一笔地物理雕琢,而靠一层一层地化学腐蚀。
波及的工艺诚然许多,但想路大体上和“把大象关进雪柜”也差未几,主要就四步:
第一步,涂胶。往芯片的原材料,也即是晶圆片上,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。
有线条遮着的场地,光透不外去,光刻胶如故本来的特性。
没线条遮着的场地,光透夙昔了,和光刻胶一照面,光刻胶就酿成了另一种特性。
第三步小二先生 调教,洗胶。把两种特性的光刻胶所心事的晶圆片,放进特定的化学溶液里。
那些特性相对更软的光刻胶,会被融解,电路图,也就在光刻胶层显露出来了。
第四步:蚀刻。把晶圆片放进腐蚀液里。
光刻胶依然没被融解的场地,杰出于心事了一层保护膜,而光刻胶被融解了的场地,会径直战役到腐蚀液,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,再加上各式化学溶液。
原以为难于上苍天的物理题,倏得就酿成了一谈平平无奇的化学题,被攻克了。
这,即是当今主流的光刻姿色:
先像放电影同样,把电路图投影到衬底上;
再像洗相片同样,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。
但这里有一个重要难点,光的波长。
波长
要刻出纳米级紧密的电路图, 至少,你手里的刀,也得饱胀紧密吧。
若何获取一把更紧密的刀?
当你的刀是不锈钢作念的时,你只消把刀刃磨横蛮就行。
但当你的刀是一束光,你什么也磨不了时,如何办?
从刀的材料起源解决: 波长越短的光,天生刀刃越横蛮。
因为波长越短的光,衍射的扩散角度越小,换句话说,即是越会乖乖走直线,不糊不乱跑,你指哪儿它打哪儿。
那还不浮浅,掀开光谱图,径直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)
不浮浅。因为,短波长的光,不是你想用就能用的。
你有莫得才气在资本可控的前提下,褂讪而持续地发出它?你的光刻胶和它来不来反映?你的其它工艺历程能不成和它兼容?
齐是不毛。齐得摸索。
摸索到今天,能让东谈主放胆褂讪、资本可控地提起的“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)。波长不错短到193nm。
许多东谈主以为,用这把“光刀”的光刻斥地,基本只可刻出20nm以上制程的芯片。
EUV,亦然一种光的名字:Extreme Ultra-violet(极紫外光)。看名字就知谈,这种光卷得更狠,波长不错短到惟有13.5nm。
谁领有了这把刀,谁就有契机再往前一步 ,刻出7nm,以致,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。
期间问题是解决了。但其他问题来了。
有东谈主卡脖子。
卡脖子
面前,宇宙上能出产出EUV光刻斥地的公司,惟有一家:荷兰的ASML。
2018年,中国的中芯国际,拿出了杰出于它全年利润的1.2亿欧元,向ASML订购了中国第一台EUV光刻斥地。
一笔大单。
ASML也很无礼,连出口许可证,齐准备好了。
但是,好意思国发声了。宣称EUV光刻斥地中有20%的好意思国零件,想要出口必须征求他们的高兴。而他们不高兴。
一纸禁令。
如何办?用不了不错刻7nm芯片的EUV,就造不出7nm芯片了吗?
能不成,用只可刻20nm以上芯片的DUV试试?
有但愿。
有两个期间,不错带来但愿:浸没式光刻,多重曝光。
浸没式光刻
什么是浸没式光刻?
很浮浅,翻译一下,即是: 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,最短只可短到193nm。
一个刻出更先进芯片的想路,就出现了: 能不成把DUV的波长,变得更短?
能,加水。
在晶圆名义和透镜之间,加上一层超纯水,白嫩到不含矿物资、颗粒、细菌、微生物等任何杂质,惟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,波长不错进一步责骂到134nm。
“刀刃”,就这样变得更横蛮了。
太聪惠了。
这个要领,把DUV光刻斥地,从“在空气里刻”的干式期间,径直带进了“在水里刻”的浸没式期间。
但是,还不够。
很很鲁很很鲁视在线视频靠这个要领迭代 “刀刃”,你有可能在你班里提提排行,把制造水平从28nm制程普及到22nm制程,但要一语气考上清华,不休7nm制程,如故很难。
如何办?
还不错再加上,另一个目的:多重曝光。
多重曝光
什么是多重曝光?
也很浮浅,翻译一下,即是: 多刻几次。
举个例子,梳头。
发问:如何才能把通盘头发齐梳到,梳得根根分明?
多梳几下。
有莫得什么目的,能高效少许,梳一次就全部梳到位?
难,但也不是不成有。不错去义乌。找雇主定制新梳子。
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。
可要是义乌的雇主听完,说造不出来,或者造出来也不成卖你呢?
那就先不追求什么高效不高效了。如故多梳几下,先保证能全部梳到位就好。
多重曝光,亦然这样。
要是一张“上海舆图”的线条休止,太过精良,太难“刻”,那就多刻几次。
把它拆分红线条休止更疏朗的三个“图层”,再作念成三张“掩膜版”,一张一张“刻”。终末,不也能套叠成一整张完好意思的“上海舆图”?
头发,不错一遍一遍梳。电路图,也不错一层一层刻。
所谓的LELE工艺,LFLE工艺,SAPD工艺,骨子上齐是多重曝光,多刻几次的目的。
聪惠。那要7nm芯片,多曝光几次不就能不休了?
表面上能。但试验上,这个目的有极限。
率先,东谈主家用一张掩膜版,曝光一次。你用三张掩膜版,曝光三次。谁在资本和放胆上更有竞争力?
其次,要把全头梳到位,至少得梳一次,动一下手,把梳子瞄准到另一个位置梳吧?
但是,一次一次梳时,如何保证每次换新位置时,齐100%对得准?
一层一层地“刻”时,又如何保证终末几张套叠在一齐时,能100%统统吻合?
保证不了。总会有瑕疵。
这个瑕疵值,即是“套刻”。
这次《目次》里被许多东谈主划重心的阿谁“≤8nm”,对应的,即是套刻的值。
资本,放胆,良率。
芯片的制造,不啻是一谈期间题,如故一谈经济题。除了“能不成作念”,还要兼顾“值不值得”。
用DUV光刻斥地通过多重曝光制造7nm芯片,随机不错襄理够到高少许的场地,但也有代价和天花板。
是以今天,许多而已齐以为,抽象计议下来,就算加上浸没式光刻和多重曝光,造7nm芯片也的确是DUV光刻斥地的天花板了。
要连接往前,制造7nm芯片,乃至更先进的 5nm芯片,3nm芯片,还得靠EUV光刻斥地。
太难了。要么买不到,要么划不来。
那,有莫得一种可能,走“自立不断”的蹊径,靠我方造出一台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?
一个一又友给我的回应是:
要是说“用DUV光刻机造出7nm芯片”的难度悉数是 “过万重山” ,那么“造出一台EUV光刻机”的难度悉数,即是 “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?
不齐是发个光,投个影,再刻点沟沟壑壑吗,还能有多难?
这样说,也没错。那咱们就照着这几个要道,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,和调养近视的激光手术用的光差未几。
但是,EUV的光源,却是地球上原来不存在的光。
不存在?那如何发?
现存的作念法,是靠“殴打”一种金属:锡,把东谈主家打到发光。
这个不浮浅但很苛刻的过程,约略分三步:
第一步,从半空中淌下来一颗液体的锡珠。
锡珠要小。 小到直径惟有20微米,和你的1个细胞差未几大。
第二步,用一束高能激光,连续轰击淌下来的锡珠。
四肢要快。 合并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,发出很歧视的辐照,发出你想要的那束光。
第三步,持续轰击,持续发光。
手不成停。 要保持每秒钟至少一语气轰击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,你有才气作念到吗?能作念到的话,你就不错进入下一关了。
第二关:“投个影”,有什么了不得?
波长越短的光,有一个不靠谱的特色:很容易被经受,还没投到光刻胶那边开动干活,就照旧散得差未几了。
如何办? 得靠“镜子”。
面前的EUV光刻机里,设了许多“镜子”,也即是聚焦反射器,来确保EUV的光,能更少被中途经受,更安全地到达光刻胶。
这些“镜子”需要多平整呢?
用期间的话来说:面形精度峰谷值0.12纳米,名义简约度20皮米。
翻译成鄙俚话来说: 要是把这面“镜子”放大到地球那么大,它上头只允许有一根头发丝那么细的杰出。
怪不得有东谈主感叹说,这种“镜子”, 可能是天地中最光滑的东谈主造物体了。
当今,就算你能造出这种镜子,光刻也才刚刚开动。
第三关:“刻出沟沟壑壑”,又要逾越几重山?
如何才能在这样极点的精度下,刻出相应的沟沟壑壑?
除了一把极点横蛮的刀,你还需要有一个极点褂讪的责任环境。
以ASML公司的无尘室为例, 里面的空气,需要比外部干净1万倍。
要作念到这少许,你至少需要一套每小时能净化30万立方米的空气的透风斥地。
除了空气,责任环境里用的水、光……齐需要超洁净,需要格外处理。
光刻机旨趣表露
“发个地球上不存在的光”。
“用东谈主类最光滑的镜子投个影”。
“在连空气齐要干净1万倍的环境里刻点沟沟壑壑”。
这,即是要造出一台和别东谈主当今用的差未几的EUV光刻机,至少要爬的几座山脊。
天哪。深吸一语气。
但,如故忍不住想望望,咱们今天,爬到哪儿了?
翌日
还谨记,最开动那行先容吗?
当今,再看一遍,你是什么嗅觉?
“这次官宣的国产光刻机,是一个套刻≤8nm,分歧率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”时的瑕疵,而不是“不错造出7nm芯片”的水平。
“分歧率65nm”,意味着有契机能刻出65nm芯片,不计代价多重曝光的话,随机还能死力够到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“波长不错短到13.5nm的EUV光刻机”的珠穆朗玛峰要翻。
如何还有那么多山?咱们什么时候才能爬完?
什么时候,咱们才能信得过造出7nm制程,乃至更先进,更能和宇宙水平并排的国产光刻机,不再被卡脖子?
说法许多。随机,你也听过一些。比如:
前几年,有东谈主说,不可能。“就算把图纸给他们,也不可能造出来光刻机。”
这几天,有东谈主说,还很远。“可能还要十几年,因为宇宙现时起源进的ASML,走完这段路即是花了十几年。”
但很快,也有东谈主说,不好说。“ASML花十几年作念出来的背后,有公共几十个国度的相助,和国表里数千家供应商的配合。”
嗯,据说过。但是,各有各的说法,那我如何判断?有莫得,来自更前列的说法?
本年的手机发布会上,华为莫得多说。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,曾浮浅说过2句:
1,“中国大陆的芯片工艺制造将在很长一段时刻处于过期,咱们要作念好遥远的算力解决决策。”
2,“华为的计谋是从可获取的制造工艺开拔,进行系统性的更正与改良”。
那,国度工信部的《目次》呢?说得更浮浅。看标题:
《首台(套)重要期间装备施行诈欺指导目次(2024版)》。
什么是“重要”?有破裂,且很重要的。而很重要的,频频还会连接破裂。
什么是“施行”?很先进,且可量产的。而插足量产的工场除外,频频还有更先进的实验室。
那,实验室除外呢?还有吗?
前几天,去墨西哥参访,看见那边有许多中国的新动力汽车在建厂;
再前几天,刷到“华为”的热搜,排在它底下的那一条是国产大飞机“C919”的量产和寄托;
再之前呢?国度统计局公布了2024年上半年国民经济运行情况,其中,高期间产业投资同比增长10.6%,快于全部投资6.7个百分点......
更正,改良。连接破裂,连接讨论。更多拓展,更多插足。
7nm芯片的故事里,从不啻有芯片,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。
在这个变局的风波里,总有东谈主高呼: 轻舟已过万重山。
照实,从莫得7nm芯片,到领有7nm芯片。从DUV,到EUV。从一份新文献,到一种新算力。
齐很深邃,齐有可能。
但是,山外还有山。
7nm的外面,还有5nm,3nm,以致2nm,1nm……
芯片的外面,还有东谈主工智能,新动力,航空航天,海洋工程......
如何办?
轻舟很少回应。它们只是连接上前飞翔。
前进,前进。
道喜小二先生 调教。
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