芯片制造中工藝制程是什么？晶體管密度才是關鍵

隨著9月的來臨，科技屆年度春晚——蘋果秋季發布會也將如約而至。

不同于前幾年，蘋果在新品保密工作上的嚴絲合縫，這幾年隨著蘋果全球布局產業鏈，產品保密的難度和可操作性近乎失衡，幾乎每年的蘋果新品都會被提前曝光，而今年更是如此。

可即便如此，全球科技用戶，依舊對蘋果新品的到來，充滿期待。

今年號稱“十三香”的iPhone系列更是早早的，從內部架構到外觀結構的全面曝光。其中，代表蘋果手機核心競爭力的A15仿生芯片，無疑是業界最為關注的焦點。

據供應鏈消息，iPhone13(命名待定)系列內置的全新A15仿生芯片，采用臺積電最新5nm+工藝制程(N5P)，是臺積電目前量產最先進的制程工藝。

蘋果也是首個該工藝下的重磅客戶，和去年iPhone12一致，蘋果為此提前預備了超過1億的5nm+工藝訂單量，用來全面生產新iPhone所需要的A15仿生芯片。

那么問題來了，臺積電5nm+工藝制程到底有何過人之處?芯片制造中，工藝制程又是什么?今天，我們就從新iPhone的5nm+工藝制程出發，聊一聊半導體的工藝制程。

工藝制程是什么？

在了解工藝制程之前，我們需要明白芯片的工作原理。

即利用半導體PN結的單向導電性原理，并利用多個晶體管串聯的“與”、“或”、“非”構成邏輯門，將電信號轉化為0、1數字信號，實現信號傳遞，從而最終實現單個電流開關驅動數以億計晶體管進行工作，輸出0和1數字信號，轉化成二進制進行計算、存儲。

在這里，受制于篇幅，就不再展開關于半導體PN結的論述，只需要知道它是由單質硅提煉而來，并具有單向的導電特性即可。

主要聊下能夠實現邏輯門開關和閉合的晶體管，了解計算機的朋友對于這個名詞應該不會陌生，也大都聽過這個故事，全球第一臺計算機ENIAC，是由超過17468個電子管、6萬個電阻器、1萬個電容器和6千個開關組成，每秒僅能運行5千次加法運算;

可其后隨著晶體管的問世，IBM公司推出IBM7090型全晶體管大型機，計算性能得到了飛躍，運算速度達到每秒229000次，由此可見晶體管對于現代半導體生態的重要性。

晶體管經過多年工藝演變，已然從初代需要玻璃外殼保護的稀罕物，成為現代半導體工藝最為常見和最不可或缺的關鍵器件。

晶體管的內部結構，主要是由源極、漏極和位于它們之間的柵極所組成，其中的柵極長度，便是我們常常所言的工藝尺寸，或者說工藝制程，所謂28nm、10nm乃至于7nm，都是描述從源極到漏極之間柵極長度，業界稱之為Gate Length。

工藝制程演變方向

根據芯片工作原理，我們其實能夠知曉，芯片響應速度快慢，取決于單個晶體管內部兩級之間的電荷流動速度。

為了加速流動，一方面我們能夠增加更多的晶體管數量，讓電荷快速在不同晶體管中流轉起來，另一方面更需要在單個晶體管內部不斷縮短阻礙在兩級之間的柵極長度，也就Gate Length。

以上兩個方向，也就構成了當今世界各大半導體大廠各大工藝制程的主要延展方向，即不斷提升芯片內部的晶體管數量，也就是單位空間內的密度問題，同時更要不斷縮短單位晶體管內部的Gate Length，加速電荷流動。

當然值得注意的是，“工藝制程=柵極長度”，工藝制程等同于物理尺寸的說法，實際上從350nm之后，已然失效。

那是源于，隨著工藝制程推進，Gate Length物理尺寸的縮小已然沒有規律可言，但部分業界從業者(沒錯就是三星、臺積電)為了延續此前每隔一代大約能縮小0.7的規律，把后續的工藝制程，全都按照0.7的倍數進行縮小后命名。

舉個例子28nm工藝制程后一代制程，即28*0.7約等于22，于是下一代工藝制程便被命名為22nm，接下來的14nm，乃至于10nm，7nm都是按照這個規律命名。

晶體管密度才是關鍵

那么既然后續命名和Gate Length物理尺寸沒有任何聯系，業界又是如何判定不同廠商之間的工藝帶差呢?

那便是芯片內部的晶體管密度，通過對比芯片內部的晶體管密度多少，即可判定是否屬于先進工藝或是同一工藝。