小白也能看懂 半導體製程/工藝/生產的秘密

　　昨天三星宣布全新的 10nm LPP 工藝已經投產了，而 LPP 工藝相比驍龍835使用的 LPE 工藝，性能提升了10%，功耗下降了15%。

但作為一個辣雞小編，其實我是看不太懂的，都是10nm製程，怎麼還能提升性能呢？這些 LPP、LPE 都是指的什麼，還有之前看到的 FinFET 這些詞又都指的什麼？相信和小編有同樣疑問的讀者不在少數，索性今天我們就來刨根問底一番，看看現在火熱的半導體究竟有哪些秘密。

　　製程的秘密：多少nm很重要嗎?

　　摩爾定律大家肯定都知道：每過18個月，單位面積上的電晶體數量增加一倍嘛！然而多年來半導體製程從65nm到32nm，再到28nm，還有近兩年的14nm、16nm和10nm，感覺也沒什麼規律啊！這裡我們就需要認識一下尺寸的計算方式，以及「半代升級」和「整代升級」的概念了。

　　首先，單位面積內電晶體數量翻倍並不意味著製程就要縮小一半，縮小一半的話單位面積電晶體數量不就翻4倍嗎？所以如果要保證兩倍的成長，那麼整代升級應該乘以0.7。

所以從14nm 到10nm，以及後面從10nm 到7nm，都是遵循了摩爾定律的整代升級。

　　但是在幾年以前，我們卻經歷過一段「半代升級」的風潮，打破了0.7的規律。

在 40nm 前後幾年，正好是存儲器需求飛速發展的時間段，考慮到0.9倍的製程升級就能將快閃記憶體容量提升1.24倍，且0.9倍的升級技術簡單，半年就能完成，所以不少代工廠開始「半代升級」製程來幫助 NAND 快閃記憶體廠商搶占市場。

　　正常來說製程升級應該是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm，也就是經典的Tick Tock。

但是台積電當年在 45nm 之後卻推出40nm，這也迫使英特爾和三星等廠商打破了規律，在2010年前後啟用了 NAND 專屬的 35nm 製程（有趣的是華為海思四核也用了35nm 製程）。

而雞賊的台積電後來又跳到 28nm，搶占製程高地，這顯然讓英特爾和三星很不開心，所以後期三星和英特爾都回到了正常的升級策略，並且從那以後，英特爾就一直對半代升級嗤之以鼻（惱羞成怒）。

　　而台積電在堅持了 20nm 和 16nm 兩代之後，也主動回到了 10nm 的正軌。

原因非常簡單，因為 NAND 顆粒並不是製程越小性能越好，20nm 之後就會發生嚴重的電子干擾，所以在 20nm 製程後，各大廠商都轉向了3D NAND 技術（如果大家對快閃記憶體有興趣我們今後也可以科普），再往後大家也不在 NAND 的製程上較勁了。

　　工藝的秘密：這些字母其實很好懂

　　至於後綴的那些英文其實也不難理解，比如 FinFET 工藝（注意哦，多少納米叫製程，而後綴指的是工藝），這一工藝最早由英特爾在22nm 製程時提出，而現在英特爾、台積電和三星都用的 FinFET 。

　　因為製程中 22nm 是指每個電晶體中兩個柵極之間的距離，所以 22nm 並不是指電晶體尺寸，一般一個 22nm 製程的電晶體尺寸高達 90nm ，而柵極間距越小電子流動的時間就越短，所以性能就提升了。

但是隨著柵極距離越來越小，絕緣效果就會下降導致漏電，所以每經過幾代製程升級，就需要有一次工藝升級來解決這個問題。

FinFET 之前已經有過High-K、HKMG 等工藝了，而 FinFET 之後，我們還會見證 FD-SOI 、GAA的競爭。

　　至於 FinFET 的原理，它的全稱是「鰭式場效電晶體」，簡單說來就是講柵極之間的絕緣層加高，來增強絕緣效果減少漏電現象，是不是覺得挺傻瓜的？但往往是看起來很簡單的想法，實現起來卻無比困難。

　　說完了 FinFET，我們還有最後一個後綴，就是昨天報導中的 LPP、LPE 了，其實這些指的都是同一代工藝中的不同種類，比如 LPE（Low Power Early） 指早期低功耗工藝，而 LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工藝，而適用於移動設備的 LP 系列其實還包含 LPC、LPU 。

而且這些後綴並不是10nm 專屬，三星 FinFET 工藝都是這樣的命名方式，比如14nm FinFET 中，驍龍820是 LPP，而驍龍821則是 LPU。

　　並且除了 LP 系列之外，當然還有主打高性能的 HP(High Performance)系列， 這其中又分為很多種，這裡就不展開講了。

但是這也只是三星晶片的劃分方法，像台積電雖然也是 FinFET 工藝，但是卻分為了FinFET Plus、FinFET Compact 等幾種。

　　生產的秘密：光刻機被卡脖子啦！

　　說完了技術，我們最後不如落到生產上聊一聊？畢竟隨著工藝的提升，對於生產設備的要求也越來越高了，過去各家在蝕刻晶圓的過程中用的都是深紫外光微影系統，簡稱 DUV，而隨著製程超過10nm，現在 DUV 已經滿足不了精度要求，這時極紫外光微影系統（EUV）就上線了。

　　說到 EUV 是不是覺得很眼熟？沒錯，不久前三星剛剛以1.5億歐元每台的價格從 ASML 訂購了10台 EUV ，然而 ASML 這麼久也一共才生產了23台，很顯然，三星是想在 8nm/7nm 時代搶占先機。

這已經不是他們第一次這麼做了，當初在 OLED 的發展初期，他們就買走了市面上僅有7台蒸鍍機中的5台（蒸鍍是OLED 生產中的重要步驟），藉此延緩了 LG 和京東方的 OLED 生產計劃。

　　總而言之，現在半導體行業在進入10nm 時代之後，無疑將會面臨製程、工藝以及生產的三重挑戰，未來三星、台積電和 Intel 是會繼續三足鼎立，還是會有人舊人掉隊、新人加入呢？我們拭目以待！