科普 | 一塊晶圓到底可以生產多少芯片？

半導體材料與工藝設備

2021年10月13日 13:50

近些日子，作為國內通訊和手機行業領軍企業的華為又遇到了新的大麻煩，在接下的數年甚至更長的日子里，可能會面臨芯片斷供的危機。那問題是小小的一個手機芯片為什么不能自主生產？到底是怎么回事？

其實說白了，一個小小的手機芯片，論研發，華為有數以萬計的頂尖工程師去共同開發大腦，但是論最頂尖最前沿的生產技術，還真不是我們國家的芯片制造行為力所能及的。全球的芯片制造業基本被美國壟斷或直接或簡接的控制著，而制造芯片依靠的是EUV光刻機這種高頂端的機器。

高端光刻機被稱為“現代光學工業之花”，制造難度很大，全世界只有少數幾家公司能制造。目前，基本都在荷蘭，而且價格非常昂貴，動輒上億美金一臺，屬于行業壟斷產品。我們先不論壟斷的原則，先說說，一臺最先進的EUV光刻機一天能刻多少顆芯片？

每年，全球的手機的出貨量是以數十億部以上計算，那么這么尖端的光刻機可以同時刻多少顆芯片才能滿足全球手機的出貨需求量？以荷蘭阿斯麥公司為例，作為全球光刻機的龍頭企業，2019年一共才賣了26臺EUV光刻機，有一半是賣給了臺積電。

作為阿斯麥最大的客戶，臺積電在晶圓代工領域獨占半壁江山，在先進工藝制程研發上也是業界領先。據臺積電官網公布的數據，2019年臺積電公司年產能超過1200萬片12寸晶圓產量。換算成每個月的話，月產量是100萬片左右。

這里要注意下它是說多少萬片晶圓的產能，并沒有說多少顆芯片。

那晶圓又是什么東西呢？

晶圓是指制作硅半導體積體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經過研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。硅晶圓是一種厚度大約在1mm(毫米)以下，呈圓形的硅薄片。目前國內晶圓生產線以8英寸和12 英寸為主。

在這個硅晶片上我們可以加工制作成各種電路元件結構，讓它成為有特定電性功能的IC產品，比如芯片之類的東西。而這種圓形薄片有很多尺寸，比如8英寸大小，12英寸大小，18英寸大小，甚至更大的。事實上芯片制程越小，晶圓的尺寸就越大。

目前14nm或以下制程的芯片，全部采用12寸的晶圓片來制造的，因為晶圓越大，襯底成本就越低。未來甚至會有18寸或更大的硅晶圓片出現。但從目前的數據來看，12英寸晶圓的出貨面積占全部半導體硅片出貨面積的65%左右，8英寸的占20%左右，其它的主要是更小尺寸的晶圓片了。那如果用12寸的晶圓來制作芯片，一塊能夠制作出多少塊芯片呢？

12英寸晶圓的表面積大約為70659平方毫米。芯片這邊呢，咱們就拿華為麒麟990 5G來舉例，它的芯片面積為113.31平方毫米（就這么點地方集成了多達103億個晶體管），如果100%利用的話，可以生產出700塊芯片。但是這是不可能的，原因是因為芯片是方形的，晶圓是圓形的，一定會有邊角料留下，所以就不能簡單的用晶圓的面積除以晶片的面積。

晶圓上的芯片其實可以看作是圓形所能容納下的所有方形的集合。可以采用以下公式：

每個晶圓的晶片數=（晶圓的面積/晶片的面積）-（晶圓的周長/（2*晶片面積）的開方數）

晶圓的周長=圓周率π *晶圓直徑

業界所謂的6寸，12寸還是18寸晶圓其實就是晶圓直徑的簡稱，只不過這個寸是估算值。實際上的晶圓直徑是分為150mm，300mm以及450mm這三種。所以最終計算出大概是在640塊左右，但考慮到良品率等問題，實際能生產的芯片大約在500-600塊左右。所以一個月的產能是多少片12寸的圓晶時，就可以計算出一個月能生產多少芯片了。

上面說到臺積電每月的產能達到了100萬片晶圓，那就相當于每月可以提供5-6億部手機的芯片。那么作為目前國內最大最先進的晶圓廠——中芯國際，它這邊的產能是怎么樣的呢？

根據中芯國際公開數據顯示，在2020年第二季度，月產能合計48萬片晶圓左右。所以，可以看出中芯國際與全球晶圓代工龍頭臺積電相比，差距還是很大的。而且最先進的技術還存在很大的代差，中芯國際目前只能生產14nm芯片，而最新的N+1工藝的芯片將于2020年年底量產。N+1工藝可以比肩臺積電的7nm芯片。但因為其在性能和規格上和臺積電規定的標準7nm芯片還有所差距，更何況臺積電早已將芯片生產工藝升級到了5nm，甚至在2022年可以達到3nm的水平。

前文所提華為的困境，其實歸根結蒂還是芯片的生產受制于人的結果，長期依賴進口而無法自主生產高端芯片，也將成為我國手機市場甚至是高端儀器無法自主研發生產的痛處。但是，中國科技發展并不會因為外界的打壓而停滯不前，只會是越來越快，需要一代人甚至兩代的科研工作者靜下心來，用人力、時間和大量的資金去堆積出來。俯首耕耘，自主研發，才不會在將來繼續抬頭望人項背。

文稿來源：核芯產業觀察

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