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nand技术是什么小白也能看懂半导体制程工艺生产的秘密

发布时间 : 2025-01-20

作者 : 小编

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小白也能看懂半导体制程工艺生产的秘密

　　昨天三星宣布全新的 10nm LPP 工艺已经投产了，而 LPP 工艺相比骁龙835使用的 LPE 工艺，性能提升了10%，功耗下降了15%。但作为一个辣鸡小编，其实我是看不太懂的，都是10nm制程，怎么还能提升性能呢？这些 LPP、LPE 都是指的什么，还有之前看到的 FinFET 这些词又都指的什么？相信和小编有同样疑问的读者不在少数，索性今天我们就来刨根问底一番，看看现在火热的半导体究竟有哪些秘密。

　　制程的秘密：多少nm很重要吗?

　　摩尔定律大家肯定都知道：每过18个月，单位面积上的晶体管数量增加一倍嘛！然而多年来半导体制程从65nm到32nm，再到28nm，还有近两年的14nm、16nm和10nm，感觉也没什么规律啊！这里我们就需要认识一下尺寸的计算方式，以及“半代升级”和“整代升级”的概念了。

　　首先，单位面积内晶体管数量翻倍并不意味着制程就要缩小一半，缩小一半的话单位面积晶体管数量不就翻4倍吗？所以如果要保证两倍的成长，那么整代升级应该乘以0.7。所以从14nm 到10nm，以及后面从10nm 到7nm，都是遵循了摩尔定律的整代升级。

　　但是在几年以前，我们却经历过一段“半代升级”的风潮，打破了0.7的规律。在 40nm 前后几年，正好是存储器需求飞速发展的时间段，考虑到0.9倍的制程升级就能将闪存容量提升1.24倍，且0.9倍的升级技术简单，半年就能完成，所以不少代工厂开始“半代升级”制程来帮助 NAND 闪存厂商抢占市场。

　　正常来说制程升级应该是45nm—32nm—22nm—14nm—10nm，也就是经典的Tick Tock。但是台积电当年在 45nm 之后却推出40nm，这也迫使英特尔和三星等厂商打破了规律，在2010年前后启用了 NAND 专属的 35nm 制程（有趣的是华为海思四核也用了35nm 制程）。而鸡贼的台积电后来又跳到 28nm，抢占制程高地，这显然让英特尔和三星很不开心，所以后期三星和英特尔都回到了正常的升级策略，并且从那以后，英特尔就一直对半代升级嗤之以鼻（恼羞成怒）。

　　而台积电在坚持了 20nm 和 16nm 两代之后，也主动回到了 10nm 的正轨。原因非常简单，因为 NAND 颗粒并不是制程越小性能越好，20nm 之后就会发生严重的电子干扰，所以在 20nm 制程后，各大厂商都转向了3D NAND 技术（如果大家对闪存有兴趣我们今后也可以科普），再往后大家也不在 NAND 的制程上较劲了。

　　工艺的秘密：这些字母其实很好懂

　　至于后缀的那些英文其实也不难理解，比如 FinFET 工艺（注意哦，多少纳米叫制程，而后缀指的是工艺），这一工艺最早由英特尔在22nm 制程时提出，而现在英特尔、台积电和三星都用的 FinFET 。

　　因为制程中 22nm 是指每个晶体管中两个栅极之间的距离，所以 22nm 并不是指晶体管尺寸，一般一个 22nm 制程的晶体管尺寸高达 90nm ，而栅极间距越小电子流动的时间就越短，所以性能就提升了。但是随着栅极距离越来越小，绝缘效果就会下降导致漏电，所以每经过几代制程升级，就需要有一次工艺升级来解决这个问题。FinFET 之前已经有过High-K、HKMG 等工艺了，而 FinFET 之后，我们还会见证 FD-SOI 、GAA的竞争。

　　至于 FinFET 的原理，它的全称是“鳍式场效晶体管”，简单说来就是讲栅极之间的绝缘层加高，来增强绝缘效果减少漏电现象，是不是觉得挺傻瓜的？但往往是看起来很简单的想法，实现起来却无比困难。

　　说完了 FinFET，我们还有最后一个后缀，就是昨天报道中的 LPP、LPE 了，其实这些指的都是同一代工艺中的不同种类，比如 LPE（Low Power Early）指早期低功耗工艺，而 LPP(Low Power Plus)指成熟的低功耗工艺，而适用于移动设备的 LP 系列其实还包含 LPC、LPU 。而且这些后缀并不是10nm 专属，三星 FinFET 工艺都是这样的命名方式，比如14nm FinFET 中，骁龙820是 LPP，而骁龙821则是 LPU。

　　并且除了 LP 系列之外，当然还有主打高性能的 HP(High Performance)系列，这其中又分为很多种，这里就不展开讲了。但是这也只是三星芯片的划分方法，像台积电虽然也是 FinFET 工艺，但是却分为了FinFET Plus、FinFET Compact 等几种。

　　生产的秘密：光刻机被卡脖子啦！

　　说完了技术，我们最后不如落到生产上聊一聊？毕竟随着工艺的提升，对于生产设备的要求也越来越高了，过去各家在蚀刻晶圆的过程中用的都是深紫外光微影系统，简称 DUV，而随着制程超过10nm，现在 DUV 已经满足不了精度要求，这时极紫外光微影系统（EUV）就上线了。

　　说到 EUV 是不是觉得很眼熟？没错，不久前三星刚刚以1.5亿欧元每台的价格从 ASML 订购了10台 EUV ，然而 ASML 这么久也一共才生产了23台，很显然，三星是想在 8nm/7nm 时代抢占先机。这已经不是他们第一次这么做了，当初在 OLED 的发展初期，他们就买走了市面上仅有7台蒸镀机中的5台（蒸镀是OLED 生产中的重要步骤），借此延缓了 LG 和京东方的 OLED 生产计划。

　　总而言之，现在半导体行业在进入10nm 时代之后，无疑将会面临制程、工艺以及生产的三重挑战，未来三星、台积电和 Intel 是会继续三足鼎立，还是会有人旧人掉队、新人加入呢？我们拭目以待！

曾经差点被放弃，如今芯片业务却成三星电子“发动机”

芯片存储器价格的上涨让不少硬件厂商“苦不堪言”，但对于三星来说，却成为整个电子业务的“发动机”，这也让三星芯片排位在今年第二季度一举超过老大英特尔并在单季利润上“逆袭”苹果。

“竞争对手没有充分抓住Note 7的崩溃，而三星已经从半导体和显示器中获利。”EuGEne投资和证券分析师Lee Seung-woo说。

今年第二季度(4-6月)三星的营业利润达126.7亿美元，同比增长72.7%，净利润约合99.3亿美元，其中半导体部门销售额157.99亿美元，同比增长46.5%，营业利润72.16亿美元同比增长204.2%。

“受益于行业缺货以及元器件上涨趋势，三星的这一增长将会持续一段时间。”Gartner研究副总裁盛陵海对第一财经记者说。

事实上，虽然现在芯片业务正为三星电子创造源源不断的利润，但在40年前，三星进军芯片行业却并非一帆风顺。当时掌管三星的还是李健熙的父亲，公司主业是食品、纺织品以及物流，并且刚刚开始在国内生产黑白电视机。所以当李健熙表示希望在公司推动进军半导体业务时却受到了来自三星管理层的质疑，但他最终说服了自己的父亲。

1992年，三星成为首家开发出64Mb DRAM内存芯片的公司，遥遥领先于日本竞争对手。现在，三星在全球DRAM芯片市场的份额约为50%，在全球存储芯片市场的份额约为38%。

“非议下” 成立芯片部门

去年第一季度，三星的芯片营收仅占英特尔的30%多，而利润上也与苹果差了不止一个档位。而到了今年一季度，三星的芯片营收已与英特尔不相上下。而在最新的二季度财报中，三星半导体收入超过英特尔10亿美元。

对于这个结果，行业内并不意外。IC Insights提供的数据报告指出，三星芯片销售强劲增长的关键在于DRAM和NAND闪存价格的攀升。IC Insights认为，这两种闪存价格在二季度可能会有降温，但是全年涨幅仍然较为客观，预计DRAM价格全年涨幅约39%，NAND则将上涨25%。

而三星正是DRAM和NAND市场上的领头羊。

NAND Flash和DRAM是存储芯片中比较常见的技术，NAND Flash闪存是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据，比如手机上16G/32G/64G的闪存和电脑上的固态硬盘用的就是NAND Flash。DRAM是动态随机存取存储器，只能将数据保持很短的时间，而且关机就会丢失数据，电脑上4G/8G/16G内存采用的就是DRAM。

目前，NAND Flash市场被三星与东芝联合的ToggleDDR阵营和英特尔与镁光为首的ONFI阵营把持，三星、东芝、闪迪、镁光、SK海力士等国外巨头占据80%以上的市场份额，其中三星可以被称为“绝对霸主”，市场份额约38%。

而在DRAM市场，三星、SK海力士、镁光占据了主要市场份额。在2016年第四季度，三星的市场占有率达47.5%，SK海力士的市场份额为27.3%，镁光的市场份额为19.4%。相比之下，市场份额排名四到六位的台系厂商的市场份额就比较有限了，南亚科的市场份额为3.1%，邦华电子和力晶科技的市场份额分别为1.3%和0.8%。

存储芯片价格上涨背后的直接原因是供不应求，比如苹果、OPPO、华为、小米，包括三星手机自身都在抢NAND Flash产能，进而导致供应链非常紧张，并且受制于良率，产能无法满足市场需求。所以即便是遭遇Note 7事件重创，但拥有“存储王国”的三星却在利润上“越发滋润”。

不过，在40多年前，三星公司的决策层却差一点就放弃了这棵“摇钱树”。

据了解，当时三星的主业仍然是食品、纺织品以及物流，并且刚刚开始在国内生产黑白电视机。但作为“接班人”的李健熙在公司推动进军半导体业务时却受到了来自三星管理层的质疑，当时掌管三星的还是李健熙的父亲，从芯片行业的投入比来看，这的确不是一个可以在几年就看到收益的行业。

但李健熙却十分看好芯片行业，并在1974年自掏腰包收购了当时陷入财务困境的韩国半导体公司50%股份。三星半导体部门一开始为手表生产芯片。1980年，三星半导体部门并入三星电子。

与欧美大型半导体公司通过制定标准的模式来掌握市场不同，三星在半导体上通过整合能力来获得快速响应市场的能力。从被李健熙“接手”后，三星半导体开始模仿着日本企业们搭建“整机+关键零组件”的垂直整合模式。不同的是，三星最终做得更为彻底、更具效率，也逐渐推动三星在该市场的地位不断走强。

成为芯片业老大，但能维持多久?

可以看到，从起初日本企业背后的“好学生”，到垂直整合模式的“最佳代言人”，三星在半导体业务上蓄势已久，凭借着大规模精密制造而形成的绝对性价比优势，三星早在2011年就在存储芯片领域和闪存领域拿下了销售额利润的双料第一。而在今年，三星终于成为全球最大芯片制造商，结束英特尔25年霸主地位。

三星是那种对手，虽然知道很厉害，但真正等到它清晰地出现在雷达屏幕上时，却已经没有什么太好的办法。

曾经有评论人士称三星可以将日本、台湾地区的电子业者作为三星的“水库”：当供应链产能紧缩，三星放单吸量，狙击其他终端品牌对手，而当行业产能过剩时，三星则“开闸泄洪”，只收自家订单，将其他关键零组件业者抛于水深火热中。

在2008年，面板工业出货急缩，三星电视业务更多采购自家出产的面板，抛弃了台湾的面板业者，任由其自行挣扎;当2009年时，三星又突然向台湾面板业抛出大笔订单吸货，使得中国大陆整机厂商陷于面板缺货窘境。而最近的一个案例可能来自于华为手机的“闪存门”事件。虽然没有挑明，但华为在供应链上受制于三星的现状在很长一段时间都难以改善。

比起其他欧美厂商，三星快速的脚步也让对手常常猝不及防。

三星的学习、进步能力非常强，凭借庞大布局，接触各类外部合作者。以逻辑芯片领域为例，过去在很多领域，三星一直采取“中低端采用外部芯片，高端芯片自己做”的策略，而在和外部芯片供应商合作的基础上不断向外部供应商学习，在具备了多核技术产品和IP后才选择进入，随后进行大笔投资。

“从战略来上讲，这几年三星很成功，那就是先做周边的标准产品，比如存储器芯片，比如面板等等，因为这些都需要规模，拼的是金钱，拼的持续投资。”芯片行业资深专家顾文军此前对第一财经记者表示，这是战术对一个后进入的高科技公司来讲，是非常正确的。三星可以通过并购，购买IP等多种方式，通过自己的持续发展，尤其是在产业低潮的时候加大投资。

这种方式的好处在于，由于供应链掌握在自己身上，无论是成本还是产品周期都处于可控的范围内。以手机领域为例，三星不仅仅自己制造手机，还会设计制造手机芯片、内存、闪存、屏幕甚至手机外壳，尤其是CPU、屏幕和闪存这样的核心技术都有自己的设计生产技术，但价格上却比国内厂商还便宜。

“从零做起，但持之以恒，终于拖垮了竞争对手，并且通过对存储芯片和面板以及Foundry和逻辑芯片的努力逐渐掌控了整个电子产业链。”顾文军对记者说。

但也有分析师认为英特尔不会将自己第一的位置“送出去”太久，而三星所面临的挑战更不可能只有英特尔一家。

Gartner研究副总裁盛陵海则对记者表示：由于内存芯片价格的提高而导致PC和智能手机厂商需要付出更高的成本，这将会进一步加大中国政府对半导体产业投资的决心。Gartner预测在2020年前，来自中国的存储器芯片将会有机会进入目前韩国、日本和美国企业独占的市场，并掀起新的竞争。

近期最新的消息是，日本东芝公司已就出售其内存芯片业务重启与富士康的谈判，这使得日本政府牵头的集团不再作为优先考虑对象。据悉，东芝的NAND闪存芯片应用广泛，是智能手机、电脑、服务器等电子设备的重要部件。

而三星自身的问题是，芯片行业始终是一个投资规模较大的行业，多个产业布局也许从一定意义上也会分食三星的精力，而在市场风向快速切换的半导体行业，投资也可能意味着颗粒无收。

不过，目前来看，三星依然对外展现除了“高调出击”的姿态。

前几个月，三星高管表示希望把芯片代工业务的市场份额从目前的7.9%提高到25%，这意味着它将从当前芯片代工老大台积电口里抢走部分市场，目前后者占有50.6%的市场份额。以至于台积电董事长张忠谋要用“700磅大猩猩”来形容三星的实力。

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