農(nóng)業(yè)立國、制造業(yè)強國，自第一次工業(yè)革命至今，制造業(yè)都是衡量一個國家綜合國力的重要標準。中國作為世界工廠，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。特別是在消費電子領(lǐng)域，芯片制造一直是國內(nèi)制造業(yè)的短板。以華為為例，在手機、筆記本電腦、5G 基站領(lǐng)域無往而不利，結(jié)果卻因為無法與臺積電繼續(xù)合作而功敗垂成。
臺積電究竟有什么了不起，它為什么能決定華為的“生死”，臺積電、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，卻是這個世界上最為艱難的“旅程”，涉及全球數(shù)百家頂級公司，哪怕有一個環(huán)節(jié)失衡都會功虧一簣。
芯片的誕生過程主要分為IC設(shè)計、IC制造和IC封測三大環(huán)節(jié)。IC 設(shè)計，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，隨便拉來一個工科大學(xué)生都會畫。
其實，IC 設(shè)計遠沒有這么簡單。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致地畫出圖紙，即使世界上最小的筆也無法實現(xiàn)。因而IC 設(shè)計需要EDA 工具來輔助設(shè)計。
EDA 又叫電子設(shè)計自動化，在EDA工具誕生之前，設(shè)計人員必須手工完成集成電路的設(shè)計、布線等工作。隨著上世紀七十年代集成電路復(fù)雜程度與日俱增，開發(fā)人員嘗試將整個設(shè)計過程自動化，通過編程語言來輔助設(shè)計，芯片的功能設(shè)計、綜合、驗證、物理設(shè)計、布局、布線、版圖、設(shè)計規(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)計廠家都離不開他們。
有了EDA工具之后，就可以從容進行IC 設(shè)計，華為海思就是一家IC 設(shè)計廠商，通過不斷設(shè)計、優(yōu)化，讓芯片發(fā)揮更大的功效。以前，IC 設(shè)計分為PC端與移動端（或者說手機端），蘋果、華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科在智能手機芯片設(shè)計上處于領(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端與移動端，技術(shù)明顯領(lǐng)先于競爭者。
眾所周知，蘋果的研發(fā)實力舉世罕見，不過蘋果芯片強大的實力背后，還有臺積電的鼎力支持。蘋果M1 芯片震撼世人，臺積電至少有一半功勞。很多人都知道臺積電是代工廠，但是大部分人都不知道，臺積電與蘋果所有的代工廠都不一樣，它獨有的技術(shù)甚至可以改變世界。
發(fā)文
制程的差異
在蘋果手機上游，有著長長的供應(yīng)鏈名單，有提供手機比例的藍思科技，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，也沒有臺積電對蘋果的影響大。
無論是手機還是電腦，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，就必須使用臺積電的制造工廠。原因很簡單，臺積電的工藝水平超出競爭對手一大截。
小黑在前面說過，芯片制造主要分為IC設(shè)計、IC制造和IC封測，現(xiàn)階段IC封測對芯片性能影響不大，主要就靠IC設(shè)計與IC制造。而在IC制造領(lǐng)域，主要的衡量標準就是制程。在最近幾年的手機發(fā)布會上，制程這個詞屢屢出現(xiàn)。Mate 30 首發(fā)臺積電7nm 制程，iPhone12 首發(fā)臺積電5nm制程，高通驍龍888 首發(fā)三星 5nm 制程，此類報道屢見不鮮。
從表面上看，臺積電與三星處于第一梯隊，制程工藝達到5nm；英特爾處于第二梯隊，制程工藝才剛剛達到10nm；再后面就是國內(nèi)的中芯國際，以及放棄先進制程的格羅方德、臺聯(lián)電等廠家，制程工藝還停留在14nm。
事實上，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，大部分廠家都嚴格按照標準命名。大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：單位面積上晶體管數(shù)量，每18個月增加一倍。
然而，14nm之后，三星與臺積電先后拋棄這一標準，各自制定獨特的制程標準，因而對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，只有英特爾嚴格按照摩爾定律命名工藝節(jié)點，英特爾的的10nm制程工藝趕超臺積電7nm制程，略遜于三星的6nm制程與臺積電的7nm＋制程。在最先進的制程工藝方面，目前臺積電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，真實實力遠遜于臺積電5nm制程。
大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：單位面積上晶體管數(shù)量，每兩年（也有說法是 18 個月）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。按照原計劃，晶體管密度比臺積電5nm更高的英特爾7nm制程將于2021年量產(chǎn)，屆時英特爾將與臺積電處于同一水平（臺積電2021年計劃推出5nm＋制程）。結(jié)果幾個月前，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)致英特爾股價暴跌。
先進制程帶來優(yōu)勢
前文說到，先進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)計水平相同的情況下，晶體管數(shù)量越多性能肯定越強（蘋果設(shè)計水平高，因而在晶體管數(shù)量少的條件下性能更強）。
另一方面，先進制程還能帶來功耗降低。臺積電表示，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，與臺積電5nm 有著接近兩代的工藝節(jié)點差距，因此才會出現(xiàn)性能、續(xù)航都是被“吊打”的局面。
當然，這樣對比并不公平，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也只能跟臺積電7nm、7nm＋媲美，綜合性能依然落后于臺積電5nm。因此11代i7也只能在單核性能上與M1 “打得”不相上下，多核性能遠遠落后于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小時左右，而M1 續(xù)航已經(jīng)達到18 小時以上。
手機、電腦的性能取決于設(shè)計與制造，制造的關(guān)鍵又在于制程。在芯片誕生的歷程上，設(shè)計、制造缺一不可，今年華為如此艱難，就是因為只掌握了芯片設(shè)計，在芯片制造上找不到臺積電的替代品。因此，臺積電終止與華為合作，麒麟芯片也就無法生產(chǎn)，華為整個手機部門都面臨“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)計與制造迫在眉睫。如今，在整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，華為海思、紫光展銳在IC 設(shè)計上處于第一、第三梯隊；中芯國際、華虹半導(dǎo)體在IC 制造上處于第三、第四梯隊；華大九天、上海微電子在EDA 工具、光刻機制造領(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。對此，小黑只想說：“加油，中國半導(dǎo)體人！”