7奈米製程是啥?

一般人可能會以為做半導體晶片跟做蛋糕一樣,一層一層疊上去就會成功了,但是蛋糕做壞了還能吃,半導體做壞了,漏電太大的,耗電太多的、速度太慢的則只能報廢。

記得40年前年我初入半導體業時,聯電最先進的製程是6微米,也就是6000奈米,後來艱辛的進入 3微米,也就是3000奈米,那時候的工程師還可以用光學顯微鏡,看看產品有沒有缺點。因為光波波長400-800奈米。時隔40年,不知不覺中,半導體製程竟然已經跨過1000奈米,進入130奈米,28、14 奈米,來到7奈米天險了,而且連5、3、2奈米的路程圖也攤開來。

一顆矽原子直徑約0.1奈米,如果製程最薄處真的只有7奈米厚,就是說一片絕緣物是用70顆矽原子組成的氧化矽,這麼薄的城牆,基本上是比1mm玻璃還透光的,更有趣的是,依照量子力學,所有被關在牆內的電子,雖然90%在牆內,卻會有10%分佈在牆外,這種現象是量子力學的必然,與製程良窳無關,但是這種量子現象,從巨觀世界看,就是電晶體D-S間有10%漏電,也就是水龍頭關不死的意思。

7奈米世界的IC電路設計工程師,必需在忍受D-S間有漏電,如同使用有漏水的水龍頭,設計浴室一樣。要用漏電的邏輯閘設計出可以用的邏輯電路,遊戲規則不再是以前絕對的1=100% 全通電 ,0=0% 完全斷電,而是類比型的1=70% 通電,0=30%漏電。這種情形對我們這些玩過類比電路的老骨頭,覺得沒啥困難,因為古代的鍺電晶體Icbo漏電也是很嚴重。但是對數位時代的小孩而言,可能會瘋掉。

Icbo 是古代鍺電晶體常見的熱漏電,與主題無關,在這裏暫不詳談。

假的7奈米製程
還好現在台積電號稱7奈米的製程,其實是騙人的,宣稱7奈米的電晶體,線寬其實是40奈米,閘極寬是20奈米,只有最細的D-S通道是寬7奈米,高52奈米、長60奈米,一顆MOS電晶體長寬高仍有40x60x100奈米大,這樣的尺寸,離會產生量子隧道效應,造成嚴重漏電的7奈米,其實還很遠,所以因為量子力學所造成的漏電只有1%,也就是1=99% 通電 ,0=1% 漏電 ,邏輯工程師還不需要太慌張。

2/3/5奈米製程
可是如果有一天製程真的到達號稱2奈米,實際絕緣牆真的只剩6奈米時,量子力學的物理現象就會很明顯,例如1=60% 通電 ,0=40%漏電, 到了1奈米製程,也就是城牆剩下3.5奈米厚時,1=55% 通電 ,0=45% 漏電,就會很好笑,就會需要下一代的天才AI工程師,或我們這一代曾經用過高漏電鍺晶體的老頭子來處理,來設法克服嚴重量子漏電問題。

我希望那時候,量子電腦已經實用化了,現在這種矽晶體做的半導體已經如同真空管一樣,變成骨董放進博物館了。

******* 回到現實*********
如何建一條7奈米生產線
ㄧ條7奈米生產線,光是設備成本就要6000億台幣起跳,金額高到用國家力量支持都很吃力,台灣一年的稅收是20,000億,只夠投資做3條7奈米生產線。

一家半導體公司每年的毛利如果沒有超過300億美金,是不可能每年投入200億美金資本支出的,一旦停止資本支出,就等著被別人超越。毛利300億美金,等於1000億美金以上的營業額,即3兆台幣,比台灣一年的2兆元稅收還多,幾乎是台灣20兆GDP的15%。

歐盟想要設廠
即使傾全歐洲之力,也未必能支持一家長期虧錢的半導體公司,如果可以早就做了,如果做了就等著良率太低,生意不好,每年虧損100億美金,等於3000億台幣,歐洲各國財政早已捉襟見肘,一定不會持久,必定始亂終棄。

韓國三星
曾經的世界第一名,韓國三星也有7奈米製程,即使還沒進入量子漏電世界,在巨觀世界的漏電問題就已無法解決,三星不用可靠的FIN結構,跨大步直跳GAA 結構,良率會更搞不定,不但會繼續虧錢,而且會害死高通,高通貪便宜請三星代工,有點自取滅亡,也讓聯發科有機會順利超車。

美國想要台積電設廠
世界第一強國美國的第二號CPU DSP廠AMD ,早已徹底絕悟,放棄生產,全面請台積電代工,做出來的CPU立即將世界第一的Intel 打趴在地上,Intel的10奈米製程,至今良率上不來,一片12寸晶圓,製造成本美金15000元,如果良率高,做出200個良品,每顆成本美金75元,賣美金200元,賺得盆滿缽滿,每一個人都開法拉利。現在一片出來,測不到50片良品,等於一個CPU製造成本300元,賣一顆要倒賠100元,老本都快要吃光了,Intel想要學AMD改請台積電代工,又拉不下臉,也怕一旦做了就回不去了,真是進退失據,最近CEO又吹牛說要花200億美金,增加設備趕上台積電,但是金融業沒有一個看好他的,股價通通投反對票。

美國軍方DARPA
軍方雖然很著急,害怕最重要的飛彈用COU、F-35 、F-22用的高速FPGA及其它各種武器的IC都要靠台積電單一供應商,萬一台灣有事,例如大地震或阿共來犯就慘了,但是DARPA也不是白癡,不可能花300億美金再培養一個比Intel 更糟的阿斗。

中國的努力
全世界最有錢的中國,人民最優秀最奮鬥的民族,全世界最有效率的政府,從台灣挖走梁孟松、蔣尚義..等等諸多人才想要建立自己的半導體生產業,奈何中國人雖然比台灣小孩還努力還肯加班,但是缺乏最基本的紀律感與自律心,所以中國的半導體業努力20多年,20歲的中芯連14奈米的良率都還搞不定,根本無力分兵研發7奈米製程,中芯甚至連第一代ASML光刻機都還買不到,更不要說是買到為台積電特制的,能使產能再升高50%第三代超高功率光刻機,中國的新創半導體公司,不幸都是陳進-漢芯、武漢-弘芯之類的騙子在圈錢,在騙國家補助,都是騙子在騙傻子。

汽車業全面缺半導體
中國、日本、韓國、美國、德國、法國、英國、義大利的汽車業為了缺半導體而停止生產,傳統電子業也連帶遭殃,所以全世界各國都想恢復做半導體,過去20年被韓國跟台灣逐出戰場的日本半導體生產業,也想死灰復燃,不過他們的想法比較實際,都想學美國,邀請台積電去設廠,他們知道全世界只剩台灣人會願意去設廠,而且真的可以做好。可惜他們沒有美國那種強制力與大手筆,開出的條件,又猶抱琵琶半遮面,夫人做不到做妾也不願意,做婢做娼更是蹲不下來。

為什麼美國、日本都想請台積電去設廠呢? 他們現有的東芝、NEC 、日立、飛利浦、摩托羅拉、德州、三星、英飛凌、特許不行嗎?

是的! 不行!

因為全世界只有韓國人跟台灣人願意忍受半導體廠那種高壓力工作,不論學歷再高也願意嚴守紀律。那些在黃光室都敢偷吃三明治的美國工程師,是不可能做出7奈米的半導體的,更不用說各國都缺乏台灣這種既優秀又願意爆肝,可以24小時接受傳呼,立即拋家棄子返回工廠加班,立即解決問題的工程師/技術員,願意操作乏味機器的碩士,願意彎腰搬晶片、調化學品的博士。

光罩成本
7奈米製程,完成一組光罩要20億台幣,將來的1/3/5奈米的還會更貴,如果做錯就要再加20億,價錢高到小公司根本無力客製一顆IC,比以前14奈米時代做一組光罩只要2億台幣、28奈米時代做一組光罩只要2000萬元,相差很多倍,已不是小孩子可以參加的遊戲。

其實不是所有IC都需要7奈米
很多汽車零件、消費電子零件、玩具所需要的IC,用28奈米製程做就綽綽有餘了,如果日本、美國、歐洲公司不好高騖遠,願意彎腰做14-28奈米製程,其實是比較正確且實際的,例如聯電就早已決定不跟7奈米了。

台積電做的汽車晶片
產量只有佔汽車市場需求晶片總量的3%,照理說是無足輕重的,而且大多是28奈米製程,誰都能做,那為什麼德國、法國、美國、日本、中國都要求台積電幫忙呢?你知道真正的原因嗎? 請你寫出來讓大家知道。

基礎建設
台灣已經發展出一套完整的基礎建設,所有半導體生產需要的氣體、液體都是供應商用雙層管路直接送進工廠,跟自來水一樣。世界任何國家,如果想在沙漠裡建立一個工廠,所有的氣體液體都要一桶一桶的放在外面。一隻鐵釘一顆螺絲也要空運進來,運轉將會很艱難。

為什麼半導體工廠要建在無人沙漠,因為以前他們歐美日人自己建的半導體廠,四周的土地、地下水都被污染毒害到寸草不生,這就是為什麼歐美日本後來都漸漸放棄生產半導體的真正原因,太陽電池也是有一樣的問題,所以全世界只剩下中國人肯做。

台灣的半導體廠本來也有嚴重污染的問題,後來環保要求越來越嚴格,他們才做了很多回收以及高溫毒氣燒毁設備。

水電
半導體生產除了必需耗用大量電力以外,也要使用大量的水,在缺電、缺水的地方,電價、水價貴的地方是不適合發展的。

周邊
在台灣以外的地區建廠,除了工廠本身以外,其他周邊的協力廠商要全部重建一套,難度很高。全世界很少國家能夠像台灣一樣,任何需要的東西都可以在兩小時車程內買得到,在21世紀,地大物博已經不是優點。小而美的台灣才是贏家。

阿凱2021-04-12

後記
ZI Hao Huang 問:
想請問台積電能7->5->3->2製程進步的原因是什麼呢?掌握技術了嗎?他們不是只負責代工嗎?若是技術進步又會是什麼原因呢(美方支援?

阿凱回覆:
一開始是飛利浦教的,後來是美國TI IBM Motorola 等IC廠回來的人才帶回技術,最近20年則是自己研發的,製程進步縮小的目的是要降低成本,提高速度、減少功耗。

例如製程從14奈米進步到7奈米,速度增加2倍,耗電為1/4 ,同一個12寸晶圓產量變成4倍,例如一片晶圓100顆,變成400顆,每片IC成本自然降為1/3,就可以用定價將競爭者逼到無利潤邊緣,使其漸漸窮困而死。以前是三星用這種戰術打敗日本、德國、美國廠,也想勒死台灣的所有IC工廠,現在是台積電用這種戰術餓死拖死三星。謝謝張伯伯帶我們報仇。
近 31 日
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Lopez 認為 含有個人意見
引用自 Lopez 查核回應
本文原出於臉書Rudolf Young 的《DX科技論壇》refer[1]. 全文輕鬆易讀重點明確,是論壇裡的討論發言,內容大致沒錯,但並沒有經過主要媒體的查證和審核。有興趣者可以加入臉書《DX科技論壇》平台參與討論。

不同意見

[1]臉書《DX科技論壇》7奈米製程是啥?--做蛋糕披薩與做IC...
https://www.facebook.com/778494099/posts/10159236229609100/

Rudolf Young

(ㄧ)7奈米製程是啥? 做蛋糕披薩與做IC 一般人可能會以為做半導體晶片跟做蛋糕一樣,一層一層疊上去就會成功了,但是蛋糕做壞了還能吃,半導體做壞了,漏電太大的,耗電太多的、速度太慢的則只能報廢。報廢時不是一家哭而是一路哭,哭年終獎金泡湯了。 記得40年前年我初入半導體業時,聯電最先進的製程是6微米,也就是6000奈米,後來艱辛的進入...

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