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一块晶圆到底可以生产多少芯片?

2020-08-24
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近些日子,作为国内通讯和手机行业领军企业的华为又遇到了新的大麻烦,在接下的数年甚至更长的日子里,可能会面临芯片断供的危机。那问题是小小的一个手机芯片为什么不能自主生产?到底是怎么回事?

其实说白了,一个小小的手机芯片,论研发,华为有数以万计的顶尖工程师去共同开发大脑,但是论最顶尖最前沿的生产技术,还真不是我们国家的芯片制造行为力所能及的。全球的芯片制造业基本被美国垄断或直接或简接的控制着,而制造芯片依靠的是EUV光刻机这种高顶端的机器。


高端光刻机被称为“现代光学工业之花”,制造难度很大,全世界只有少数几家公司能制造。目前,基本都在荷兰,而且价格非常昂贵,动辄上亿美金一台,属于行业垄断产品。我们先不论垄断的原则,先说说,一台最先进的EUV光刻机一天能刻多少颗芯片?

每年,全球的手机的出货量是以数十亿部以上计算,那么这么尖端的光刻机可以同时刻多少颗芯片才能满足全球手机的出货需求量?以荷兰阿斯麦公司为例,作为全球光刻机的龙头企业,2019年一共才卖了26台EUV光刻机,有一半是卖给了台积电。

作为阿斯麦最大的客户,台积电在晶圆代工领域独占半壁江山,在先进工艺制程研发上也是业界领先。据台积电官网公布的数据,2019年台积电公司年产能超过1200万片12寸晶圆产量。换算成每个月的话,月产量是100万片左右。


这里要注意下它是说多少万片晶圆的产能,并没有说多少颗芯片。

那晶圆又是什么东西呢?

晶圆是指制作硅半导体积体电路所用的硅晶片,其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种,然后慢慢拉出,形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨,抛光,切片后,形成硅晶圆片,也就是晶圆。硅晶圆是一种厚度大约在1mm(毫米)以下,呈圆形的硅薄片。目前国内晶圆生产线以8英寸和12 英寸为主。


在这个硅晶片上我们可以加工制作成各种电路元件结构,让它成为有特定电性功能的IC产品,比如芯片之类的东西。而这种圆形薄片有很多尺寸,比如8英寸大小,12英寸大小,18英寸大小,甚至更大的。事实上芯片制程越小,晶圆的尺寸就越大。


目前14nm或以下制程的芯片,全部采用12寸的晶圆片来制造的,因为晶圆越大,衬底成本就越低。未来甚至会有18寸或更大的硅晶圆片出现。但从目前的数据来看,12英寸晶圆的出货面积占全部半导体硅片出货面积的65%左右,8英寸的占20%左右,其它的主要是更小尺寸的晶圆片了。那如果用12寸的晶圆来制作芯片,一块能够制作出多少块芯片呢?

12英寸晶圆的表面积大约为70659平方毫米。芯片这边呢,咱们就拿华为麒麟990 5G来举例,它的芯片面积为113.31平方毫米(就这么点地方集成了多达103亿个晶体管),如果100%利用的话,可以生产出700块芯片。但是这是不可能的,原因是因为芯片是方形的,晶圆是圆形的,一定会有边角料留下,所以就不能简单的用晶圆的面积除以晶片的面积。



晶圆上的芯片其实可以看作是圆形所能容纳下的所有方形的集合。可以采用以下公式:

每个晶圆的晶片数=(晶圆的面积/晶片的面积)-(晶圆的周长/(2*晶片面积)的开方数)

晶圆的周长=圆周率π *晶圆直径

业界所谓的6寸,12寸还是18寸晶圆其实就是晶圆直径的简称,只不过这个寸是估算值。实际上的晶圆直径是分为150mm,300mm以及450mm这三种。所以最终计算出大概是在640块左右,但考虑到良品率等问题,实际能生产的芯片大约在500-600块左右。所以一个月的产能是多少片12寸的圆晶时,就可以计算出一个月能生产多少芯片了。

上面说到台积电每月的产能达到了100万片晶圆,那就相当于每月可以提供5-6亿部手机的芯片。那么作为目前国内最大最先进的晶圆厂——中芯国际,它这边的产能是怎么样的呢?


根据中芯国际公开数据显示,在2020年第二季度,月产能合计48万片晶圆左右。所以,可以看出中芯国际与全球晶圆代工龙头台积电相比,差距还是很大的。而且最先进的技术还存在很大的代差,中芯国际目前只能生产14nm芯片,而最新的N+1工艺的芯片将于2020年年底量产。N+1工艺可以比肩台积电的7nm芯片。但因为其在性能和规格上和台积电规定的标准7nm芯片还有所差距,更何况台积电早已将芯片生产工艺升级到了5nm,甚至在2022年可以达到3nm的水平。



前文所提华为的困境,其实归根结蒂还是芯片的生产受制于人的结果,长期依赖进口而无法自主生产高端芯片,也将成为我国手机市场甚至是高端仪器无法自主研发生产的痛处。但是,中国科技发展并不会因为外界的打压而停滞不前,只会是越来越快,需要一代人甚至两代的科研工作者静下心来,用人力、时间和大量的资金去堆积出来。俯首耕耘,自主研发,才不会在将来继续抬头望人项背。

来源:核芯产业观察
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