中芯国际：重剑无锋，大巧不工
最新更新时间：2020-04-18
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2017年前的中芯国际，虽然是国内最先进的晶圆厂，但是放眼世界基本不值得一提。当台积电已经将工艺推进到7nm节点的时候，中芯国际自己的28nm节点的高阶工艺——HKMG还是没有搞定…
中芯国际一直背负着先进制程研发不顺这个巨大包袱，负重前行步履维艰，几乎没有人能看到中芯国际的未来。
2017年10月16日，中芯国际宣布任命赵海军、梁孟松博士为中芯国际Co-CEO兼执行董事。
对于梁孟松的加盟，就像一颗惊雷在半导体产业上空炸响，因为所有人都知道这将改变半导体代工产业的世界格局。
如果说，一个人可以改变一个行业，那梁孟松肯定当之无愧!
01
130nm铜制程一战成名
FinFET将他推向高峰
将时间拉回到1981年，美国旧金山湾区。
29岁的梁孟松正在加州大学伯克利分校读博士，而他的导师正好是胡正明——FinFET技术的发明人。胡正明是当时半导体界的传奇人物，研究集中在MOSFET（一种晶体管）领域，他从实际MOSFET晶体管的复杂物理中推演出了一套数学模型。该数学模型于1997年被国际上38家大公司参与的晶体管模型理事会选为设计芯片唯一且第一个国际标准。
梁孟松师从胡正明，自然精心钻研在MOSFET领域。1981年-1986年，梁孟松在IEEE上发表了7篇高质量论文，梁孟松高水平的学术背景也决定了他之后将会以研发作为自己的职业方向。
1986年，梁孟松进入AMD工作，研究方向除了MOSFET之外还涉及SRAM静态存储器领域。
彼时，华人在美国半导体领域可谓群星璀璨，半导体领域随处可见华人的身影。中微公司创始人尹志尧1984年加入Intel公司，后在LAM研究、应用材料公司任职长达16年，是华人中当时顶尖的半导体设备专家。而后来的台积电鬼才林本坚，也已经在IBM从事微影技术研发长达16年，为之后攒出第一台193nm浸润式光刻机做了铺垫。此外，张汝京也已经在德州仪器（TI）、诺贝尔物理学奖获得者集成电路发明人杰克·基尔比的团队，摸爬滚打了将近十年。
在AMD工作几年后，梁孟松在1992年回到台湾加入台积电。张忠谋建立的台积电，已经是当时全球最大的晶圆代工厂，而梁孟松在MOSFET和SRAM包括DRAM领域的造诣，让他在台积电如鱼得水。
在1997年-2004年这7年间，梁孟松光在IEEE就发表了30余篇高质量的论文，涉及材料、工艺、制程等多领域，为台积电的研发做出了巨大的贡献。当时Co-COO之一的蒋尚义也认为梁孟松对于技术的精专程度令人敬佩，尤其是在先进制程的研发上更是一员得力大将。
而这7年间有两篇论文，为他之后在整个晶圆代工领域的发展带来了无尽的财富。
除了勤奋和天赋，开挂的人生还需要机遇。
2000年，也就是在梁孟松加入台积电的第八个年头，IBM向台积电和联电提出合作，目的是解决半导体元件中导体连线电阻/电容出现时间延迟的问题。这是因为随着半导体元件越来越小、导线层数快速增加，铝制连线线宽缩小，而时间延迟也严重影响了电路的操作速度。
当时，业内提出两个办法，要么用低电阻的铜连线，要么用低介电质绝缘材料（Low-K）作为介电层的材料。
说白了，要么把导线换成铜，要么把在某一些地方换其他材料。
IBM其实在2000年左右，就已经“搞定”了铜制程技术和 Low-K 材料想卖给台积电和联电。一方面捆绑一起，IBM作为主导者自然话语权最大，另一方面可以向台积电和联电收费。
在关键抉择上，格局决定了命运。
张忠谋经过考虑后回绝了IBM，打算抢先研发铜制程技术，彻底压制IBM。而联电则买下了IBM的东西，并且一起合作。
其实以当时台积电的豪华配置，碾压IBM属于必然。林本坚、梁孟松，包括2001年加入公司的胡正明，这种神仙配置想想就让人兴奋。
而擅长材料、先进制程研发的梁孟松接过大旗，带领研发团队着手研发130nm铜制程技术。
关于这场战役，前NVIDIA执行长黄仁勋说：“130nm改造了台积电”。
原本应该硝烟弥漫、堪称经典的一战，却被IBM和联电的“不认真”给搅黄了。原来IBM的铜制程技术和Low-K材料，只存在于实验室阶段，发了几个论文而已，压根和量产没有几毛钱关系，一堆问题都要重头再来…
这让联电喷出一口老血。原本指望一战翻身，结果再次被生活吊打。
台积电没有给他们任何机会。2003年6月在美国举行的IEEE国际互连技术会议上，梁孟松带领的台积电团队发表了一篇关于“铜制程漏电和击穿”的论文，表明台积电不仅已经实现了量产，而且对出现的问题进行了改良，工艺愈发成熟。
台积电第一次领先整个产业界！而铜制程一战也奠定了梁孟松的江湖地位。2004年，梁孟松又带领台积电将铜制程推进到了65nm节点。
半导体产业界对先进技术总是“公开”的，然而能否理解那个“窍门”以及做到最终做到量产，确实是各家的看家本事。
就在梁孟松如火如荼打算参与铜制程大战的时候，他的导师胡正明教授正在解决一个更为前瞻的问题——能不能把半导体元件做到25nm以下。
其实早在上世纪90年代，工业界就已经认为当时使用的技术不能够往下走太多了，于是美国政府征求学术界的建议，能否将半导体元件做到25nm以下。
胡正明拿到这个题目，提出了两个方案：一个是FinFET，而另一个是FD-SOI。其实在1999年，胡正明团队就证实了FinFET技术确实可以有办法做到25nm以下。
2000年-2001年，胡正明团队连续发表了《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》和《Sub-20 nm CMOS FinFET technologies》两篇重量级论文，迅速吸引了业界的目光，从理论上解决了25nm以下的疑惑。后来，媒体问道胡正明什么时候可以生产的时候，胡正明笑着说“大概要到十年以后吧。”
不过当时的产业界并没有太把FinFET当回事，那玩意儿太前瞻，产业化是否可行是另一个课题，平面的结构依然大有可为。
在2000-2002年，胡正明团队发表了不下于10篇关于FinFET技术的论文。最为惊艳的除了20nm的两篇外，应该就是2002年发表的《FinFET scaling to 10 nm gate length》。
学界已经将制程研究推进到了10nm级别，而产业界还在130nm铜制程上鏖战。
所以恐怕梁孟松也想不到，自己的另一篇重量级论文，会将自己之后的职业生涯推上前所未有的高峰。
2004年，梁孟松与导师胡正明合作，在当年的超大规模集成电路研讨会上发表了重磅论文《5nm-gate nanowire FinFET》，第一次验证了FinFET在5nm的可行性。
这篇论文在当时仅仅是前沿学术研究，然而神奇的半导体人却在十六年后将它变为了产业事实。
巨大的成就往往伴随着巨大的机遇，铜制程后梁孟松直接接触到了FinFET技术极限的研究，这让梁孟松能够以超高的起点迅速吸收FinFET技术的精髓。
而很多人如果自己研究，即使很努力，最终也是“十窍开了九窍”，例如之后的三星。
此后，梁孟松保持着对FinFET足够的重视，从材料、方案、结构各种角度对FinFET进行了深入的研究，因为半导体器件很快就将进入20nm以下的级别。
梁孟松非常清楚，FinFET很有可能是20nm以下的主流工艺。
02
海阔凭鱼跃
来到更广阔的舞台
2009年初，梁孟松因为相关的人事变动而离开台积电。因为禁业协议，梁孟松离开台积电后无法直接为竞争对手服务，只能在2009年下半年进入成均馆大学任教，而好巧不巧的是这所著名韩国私立大学背后的财团恰恰就是三星集团。
2010年6月8日，苹果发布iPhone4，三星电子拿下了苹果A4芯片的所有代工订单。彼时台积电已经敏锐地意识到三星电子极度强势的技术能力，因为台积电太清楚，iPhone4是划时代的产品，这将会成为改变整个世界的起点。
2011年，禁业协议到期，梁孟松进入三星电子担任研发副总。然而台积电以梁孟松涉嫌泄露FinFET技术给竞争对手为由祭出了老手段——诉讼。
经过几年的拉扯，最终的奇葩结果是：梁孟松在2015年底前不得为三星提供任何形式的服务。
台积电昔日六名研发大将曾携手开发130nm铜制程，领先全球，六人分别为余振华、梁孟松、孙元成、蒋尚义、杨光磊、林本坚，台积电创新馆展示照片中，缺少余振华和梁孟松两位
资料来源：《自由财经》，洪友芳记者拍摄
台积电“手段”一流，先是张汝京，再是梁孟松，总之跟台积电打官司应该是半导体业内最不明智的决定。
不要妄想用“公平”这种东西考虑半导体产业，这是奢侈品。
台积电赢得了和IBM的铜制程一战，然而在智能手机的战场上出师不利。从iPhone4一直到2013年9月发布的用于iPhone5S上的A7芯片，足足4年都是由三星独享苹果迅速膨胀的巨大订单，一时风头无两。
转折点发生在2014年9月的iPhone6，台积电凭借20nm工艺强势的性能和稳定性赢得了苹果A8处理的所有订单。
而对于苹果来说，这种转变背后，明显有更深的意图。
进入20nm以下的节点，FinFET技术将逐步成为主流，而台积电对FinFET技术的理解和积累明显要好过三星。
2014年6月，台积电开启“夜鹰计划”，目的就是在之后的10nm世代追上Intel最终实现全面的领先。对于台积电来说，这是一场非赢不可的战役。赢，则继续领先世界十年；输，则逐渐被Intel和三星彻底压制。
台积电开始广招“夜鹰”，也就是愿意三班倒、24小时不休息的研发人员。
最终，台积电依靠这种强大的人力资源组织能力和严格纪律，加上技术的积累和研发人员的天赋，奠定了在FinFET技术上的绝对领先地位。
对于苹果来说，三星显然落后了。
但真正让苹果彻底放弃三星的，不是因为三星工艺上的落后。事实上苹果在2015年9月发布的iPhone6s使用的A9芯片，同时采用了台积电的16nm FinFET技术和三星14nm FinFET技术，两家同时代工。
而令人意想不到的是，三星代工的部分持续出现过热、不稳定等等各种千奇百怪的问题。
在芯片产业，一旦出现问题就意味着不可使用，不可修复。任何精细的产品出现了问题，只有一个解决方案——换。我们一直使用的PC就是这么干的。
但是屏幕可以换，手机芯片怎么换？如此高度集成的智能手机，换也没办法换。
苹果第一次被震惊到：原来晶圆代工这个领域有如此高深的绝对知识含量。
苹果选择两家供应商以“分摊风险”的思路在芯片代工领域第一次失效，有效的方案是深度地参与到新一代芯片的开发和生产中，与代工厂一起解决最前沿的问题。
半导体产业界之所以总是有“不合常理”的事情，就是因为这个产业一直在突破人类的认知极限，而一般的商业逻辑在人类的认知范围之内。
在可预见的未来里，苹果也不可能转向三星代工。台积电不犯错，与苹果继续合作研发，三星已经没有机会了。而且台积电专注于晶圆代工，也让苹果内心极度舒适，强大如苹果，也不想在这个领域见到什么新鲜对手了。因为当你看见他的时候，他已经足够强大。
这个产业的残酷就在于：你不能犯错，一步错可能就万劫不复。看看尼康、IBM、联电、Intel和现在的三星。
三星在2015年用于生产iPhone6s的14nm FinFET技术，要说与梁孟松无关，这可能是个段子。三星几乎是从28nm直接跃升到14nm节点。而此前三星一直在FinFET技术的理解和量产上找不到诀窍。
在工艺的研发上，有时候梁孟松仅仅是提示一下“哪个方向不用做了”，就可以省掉三星巨大的时间和人力成本，这是技术核心强大能力的间接体现。
然而对于胸怀大志的梁孟松来说，台积电的压制和拉锯，让他无法专注于实现自己的抱负。任何人都有职业生命，时间对于像梁孟松这样的人来说要比平台重要的多。
此后，市场时常会有传言梁孟松将加盟中芯国际，然而大家都只当时是“空穴来风”，很明显，这是不可能的。
你会在65岁从一家大公司跳槽到一家“没有希望”的小公司吗？
我也不会，所以我们都是普通人…说到这里，擦一把泪。
2017年10月，梁孟松正式加盟中芯国际。
与此同时，国家大基金总裁丁文武透露，国家大基金对中芯国际的总投资将近160亿元。2017年底，大基金持有中芯国际15.06%的股权，成为第二股东，仅次于大唐国际的16.24%。2018年1月30日，中芯国际又宣布联手大基金、上海集成电路产业基金共同投资102亿美金强攻14nm及以下先进制程的研发和量产。
这简直是为梁孟松量身打造的产业配套和资金支持！
再回头看看这段风云际会，才发现云端之处，更有高人。
梁孟松加入中芯国际仅2年，中芯国际的14nm工艺就实现了量产，这对中国半导体产业来说着实是个奇迹！此前，中芯国际对于FinFET的理解都是纸上谈兵，不是完全看不懂，而是根本顾不上…自己28nm HKMG都拎不清楚。
很多人当时不理解为什么梁孟松要加入中芯国际，可能现在愈发清晰：
中国是未来真正的大舞台！以巨大的市场和强大的人力资源作为支撑，广阔天地大有作为。
03
一切都指向5nm
即使没有EUV光刻机
2019年6月21日，中芯国际股东大会现场。
梁孟松：“我准备长期服务于中芯国际，和团队一起将中芯国际带上另一个高峰！”
话音未落，股东会现场就爆发出热烈的掌声！这不仅是与会股东，也是中国整个芯片制造业最希望听到的声音！而如此自信的表态，中芯国际已经许久未见过。
在这里，需要对一些技术做一些解释，否则很可能会陷入巨大的疑惑。
（1）FinFET技术是什么？
FinFET全称：Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管。如果下面的部分是鲨鱼，上面的闸门——栅极就像是鲨鱼的鳍一样，控制着电流的接通与断开。
FinFET是一种3D结构。
我们可以想象，地上一节1米长的水管，接通了水龙头。当我们想让他在出口处没有水流出的时候，我们可以找一块大石头压在中间，水也就被阻挡了。
然而当这节水管越来越短，短到1分米的时候，你可能就找不到那块石头，又要有重量、还需要足够的窄。那么到了1cm的水管呢？恐怕什么石头都无法控制这个水管的水流。
而FinFET的结构是，将“石头”插入到水管中，直接管控住水流，而不再是从平面的上方进行挤压。
FinFET我们就了解这么多。
（2）7nm EUV和7nm FinFET是什么？
我们经常在各种新闻上看到，到了7nm，FinFET就失效了，只能用EUV云云…
然而实际上，EUV仅仅是极紫外光刻极紫外光刻（Extreme Ultra-violet）的意思，EUV并非全新的技术，而是光刻机用于光刻的光源从之前的深紫外光源DUV（Deep Ultra-Violet）换成了EUV光源。
也就是说，EUV只是一种工艺。我们平时说7nm FinFET工艺和EUV工艺，只是对具体节点工艺的描述。EUV只是光刻机设备的进化，依然是用来更好的制作FinFET晶体管。
（3）FinFET与GAA
真正与FinFET不同的、可能会在未来成为主流的结构是GAA。就像下图，我们可能会看到FinFET的鳍，变成了好几根。
这就好像FinFET是一间平房，而GAA是一栋高楼。2nm及以下，很有可能将会是类似于GAA这样结构的技术。
具体是什么我们还不知道，但是业内很明显已经有了可行的量产方案。台积电表示，3nm依然是FinFET工艺。
理解完这3个问题，我们已经能给大部分“消息”勘误了。
中芯国际从未想过自己能够在未来若干年领先世界，这也不是我们所需要考虑的。就像一把重剑，不要想着能到“出神入化”的境界。
中芯国际目前最为紧迫的就是加速突破先进制程，快速突破7nm 节点。
过了7nm，中芯国际才算是真正的“全新公司”，才有资格加入牌局。因为格罗方德和联电已经在止步于7nm的研发，未来突破7nm的将会仅有台积电、三星、Intel和中芯国际四家，而纯代工厂只有台积电和中芯国际。
有传2018年，中芯国际购买了一台ASML EUV光刻机，但是由于众所周知的原因无法到目前还无法获得。中芯国际也澄清，EUV只停留在Paper work的阶段。
穿过扑朔迷离的迷雾，我们从新的角度去观察。
（1）当中芯国际的5nm技术和工艺突破的时候，3400B已经“老掉牙”
在ASML披露的2019年年报中，我们看到，ASML已经将EUV光刻机发展到了3400C型号，而即使中芯国际已经采购的，也是3400B型号。
资料来源：ASML公司2019年报
ASML一直在改进他们的EUV，而3400C型号是他们目前最先进的EUV。而3400C明显指向的是2nm节点，因为台积电目前给出的3nm节点，是2021年风险性量产，并于2022年正式量产。ASML明确表明下一代的EUV光刻机的研发机型最早会在2022年推向市场，而这明显是为了2nm极其以下节点而存在的机器。
我们考虑中芯国际7nm研发进度顺利，5nm从技术和工艺上也实现了突破，乐观看2021年实现量产，那么中芯国际的5nm节点最快2023年才会量产。
届时，ASML可能已经推出了新一代光刻机（3400D？），而3400B已经是“老掉牙”的设备。即使根据瓦森纳协议，3年后拥有3400B EUV也是可能的。
（2）当我们依然忧虑的时候，我们发现ASML的最新的DUV光刻机其实暗藏玄机
其实台积电第一代7nm是使用DUV光刻机进行的生产，从时间上看是1980i的型号。因为2000i的型号2018年中推向市场，台积电显然已经在进行大规模生产了。
玄机就在这款2000i的DUV型号光刻机中，非常有意思。
TWINSCAN NXT:2000i型号的DUV差不多是2016年开始研发，直到2018年全年组装了17台2000i。
在2017年年报中，ASML提到（译文）：
我们提供了最新的TWINSCAN NXT：2000i浸入系统的早期访问权，以用于5 nm节点的初步开发。此新系统具有多项硬件创新，提供改进的成像和覆盖性能，以支持未来节点所需的积极匹配的系统覆盖到EUV。
2000i，就是为了5nm节点的研发准备的。这是EUV的前站，2000i的成功，让EUV成为可能。
在2018年的年报中，ASML提到：
我们基于内部KPI（称为技术领先指数）来衡量创新。该指标包括三个目标：a）DUV性能达到1x 存储器节点和7/5 nm逻辑处理器的节点；b）产品性能；c）推动EUV的经济性和可扩展性。
将DUV扩展到7/5nm逻辑处理器节点，是ASML内部KPI的考核目标。
而在ASML的官网中，我们看到了这样两段话：
（1）2000i是为了和EUV混合使用而设计，它的模块允许持续更新。
2）2000i的套刻精度（overlay）是2.5nm，这是5nm节点的要求。最后一句话：对晶片工作台平整度、耐用性和clamping部分的改进增强了该系统与EUV的匹配性。
客户可以使用2000i和EUV光源搭配使用，对同一片晶圆上的不同层进行光刻。事实上，与大家理解不同的是：
全部用EUV并不经济，而且不合理。现在的EUV型号，也用DUV部分。
我们认为：用DUV生产5nm节点芯片是可行的，而并非一定要使用3400B和3400C的EUV型号。
怎么改良不知道，但是这对于ASML和中芯国际来说无疑是个好消息，因为如果DUV可以用于5nm节点，那么EUV将在5年内将是锦上添花。ASML正在研发新一代的2050i的新款DUV，效率更高，可能的套刻精度更高，同时更加适配EUV。
这里多啰嗦一句，有人问：那还会有人买3400B么？
当然会，因为EUV型号在提高芯片性能、工艺流程、产能和效率上是DUV型号无法比拟的。DUV用于5nm毕竟是个备选，然而这却解决了中芯国际被限制的难题。
到这里，如果论做生意和玩兵法，确实没人是ASML的对手。我卖DUV总可以吧？既不得罪美国，也赚了中芯国际的钱。
总之，我们不需要为5nm买不到3400B或者3400C而担心。短期内是确定买不到的，这玩意儿太先进了，美国人不会允许这种机器出现在中国。
对于中芯国际来说，考虑5nm好像还有些早。但是对我们来说，搞清楚5nm是否会被掐死，是重要的。
04
重剑无锋，大巧不工
2019年股东大会上，梁孟松提到了一个事实：
在10nm以下，7nm也好，5nm也好，甚至4nm，设备具有通用性，85%的设备都是通用的。
中芯国际现在要做的就是改良7nm节点的性能，做5nm的研发。至于设备，至少3年内根本不需要太操心。
我们希望能够看到中芯国际先进制程的突破，5nm一定是必要的。这不是什么经济性的问题，华为不缺钱，小米ov也不缺钱，中国缺的是最先进的芯片。
因为只有中芯国际持续的坚持研发，工艺突破，最终才有可能站稳脚跟，从更高的视角看到巨大的经济性。现在考虑客户的流片成本，根本没有必要。
当你有10级能力的时候，你才能更好的制服8级选手的，而不是用自己的7级水平和人家死磕。
我们非常看好中芯国际制程的推进，梁孟松明显已经规划了中芯国际未来节点的路径，而ASML为了赚钱也会持续“想办法”研发新型的DUV来支持中芯国际。
不要高估制裁，更不要低估产业人的努力。
中芯国际注定做的不是一件简单的小事，就像一位武者的修行。花拳绣腿和华丽剑招不能让自己得到什么，只有绝对的实力才能赢得生存和尊重。
正所谓，重剑无锋，大巧不工。
本文来源：橙子不糊涂，作者：橙子不糊涂
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