5nm、7nm、10nm芯片的差距究竟在哪？仅仅是大小吗？

科技改变生活，随着科技的发展我们的生活发生了巨大变化，尤其是智能手机的出现。

智能手机打败了MP3、又PK掉了MP4、又干掉了电视机、游戏机、照相机。可以说当今社会，“一机在手，天下我有”！

手机如此的重要，那么手机性能无疑成了人们追求的目标，而手机性能又是由芯片、操作系统、屏幕等众多因素决定的，其中芯片可以说起着决定性因素，芯片性能强大，那么这款手机整体就是不错的。

高通、华为、苹果、三星等各大厂商在手机芯片领域角逐厮杀，从14那么到7nm再到5nm，可以说杀的天昏地暗、日月无光，最后美国政府都参与进来了。

10nm、7nm、5nm工艺制程的芯片到底差距在哪里呢？听我慢慢道来！

众所周知芯片是由光刻设备在晶圆上刻蚀而来的，如果芯片是一座高楼大厦，那么晶圆就是砖瓦，是最基本的单元，在指甲盖大小的一片晶圆上，晶体管数量越多，说明芯片的集成度越高，那么性能也越高，能耗也就越低。

nm即纳米，长度单位，目前市场上的芯片都是纳米级的，最好的芯片是5nm工艺制程，也就是晶体管的宽度（也叫线宽）是5nm，那么5nm有多大呢？就是把一根头发剖成1万根，其中1根的直径就是5nm。

芯片分为设计、制作、封装测试，其中最难的就是制作，芯片光刻的难度好比是在一粒大米上雕刻清明上河图，而且还是在运动过程中雕刻。而且要使用先进的设备—光刻机。

10nm芯片普通光刻机即可制作，而7nm、5nm芯片就要使用AMSL公司的EUV光刻机，那么EUV光刻机制作难度有多大呢？

最先进的EUV光刻机，有10万零件，4万螺栓，3000多条线路，软管加起来两公里长。设备重180吨，发货需要40个货柜，20辆卡车，价格高达1.2亿美元。而且都是提前预付款，然后排队，可以说就算有钱也未必买的到。

光刻机到位后，组装需要1年时间，调参数、调模块，一切准备好后，开始光刻晶圆，前前后后、大大小小几千次光刻，每次光刻的合格率必须达到99.99%，否则几千次光刻累计的误差批量生产后，会有大量的不合格产品，良品率过低，就意味着亏钱。在这方面不得不佩服台积电公司了。

所以说5nm芯片制作相比10nm，难度是指数级别的增长。那么不同制程的芯片性能又如何呢？

首先是苹果公司的A系列芯片：

1、苹果A11采用10nm制程，拥有6个核心，43亿个晶体管。

2、苹果A12是苹果公司首款7nm芯片，晶体管数量达到69亿个，包含一个六核CPU，一个四核GPU（比A11快50%），神经引擎达到八个核心，每秒可执行5万亿次操作。

3、苹果A14在业内第一个使用5nm制程技术，其晶体管高达118亿个 ，搭载A14的iPad Air，与之前的iPad Air相比，CPU速度提高40%；图形性能是同类Windows笔记本的2倍，每秒可执行11万亿次操作；神经引擎将机器学习性能提高了2倍。

华为海思麒麟芯片：

1、麒麟970采用10nm工艺制程，有55亿晶体管，核心数量12，下行速度1200Mbps；

2、麒麟990采用7nm工艺制程，有103亿晶体管核心数量16，较上一代芯片性能提升33%，能耗降低50%；

3、预计麒麟9000采用5nm工艺制程，有194亿晶体管，较上一代芯片性能提升50%,功耗降低30%。

可以看出随着工艺制程的降低，工艺制作水平的提高，芯片的性能也大幅提高，功耗大幅降低 。

目前芯片技术基本掌握在欧美手里，英伟达又宣布400亿美元收购ARM，如果收购成功，从设计到制造，都被美国“安排好”，美国就会垄断芯片技术和专利，对我国高科技行业的“卡脖子”会更加严重。

科技时代，得“芯”者得天下，唯有掌握核心技术，加快国产替代，才能实现弯道超车，才能在未来科技领域占有一席之地！

芯片制造难不难：1、3nm只是文字科技，3nm其实就是23纳米

随着5G、人工智能、云计算等技术的快速发展，芯片行业变得愈发重要，而作为半导体行业的“心脏”，晶体管尺寸成为各大晶圆厂竞相追逐的焦点。我们常听到的7nm、5nm、3nm等工艺节点究竟代表什么呢？今天我们就来深入浅出地介绍一下这些芯片工艺，让大家能够轻松了解这一高深的技术领域。

以前英特尔老老实实地标注栅机，结果被各种吐槽。瞧瞧现在，英特尔也不老实啦。按它的标准应该一直就是 14++……了。实际上呀，咱们都清楚英特尔曾经是想严谨命名的，它还想保留那最后的一点倔强。所以呢，intel 的 14nm 足足打磨了 5 年。为啥呀？因为它发现自己工艺的提升跟晶体管、栅极对应不上，所以就干脆不改变工艺节点。正因如此，才有了intel 的 14nm 能跟台积电、三星的 10nm 相媲美的情况，intel 的 7nm 能和台积电的 5nm 、三星的 3nm 一较高下。2022 年末，台积电弄出了 3nm 工艺，半年前三星也搞出来了。一般来说，就英特尔在 10nm 工艺之前的标注还算准，后来台积电和三星这俩家伙，标注就是为了好宣传好卖货。实际上，同等工艺下，Intel 还是最棒的。

这等效 3nm 可不是说线宽哟，FinFET 之后，用原来多少 nm 线宽来描述工艺就不合适啦。这里面还有 fin、gate 的尺寸，东西可多着呢！得先讲讲啥叫等效工艺大家才能明白。比如说，一开始栅极到 28nm 或者 14nm 就差不多到极限了，要是工艺和设计图不行，成品处理速度才 10M/s，改进之后速度变成 20M/s，（说法而已，不严谨） -就敢号称 10nm 芯片啦（其实大多数栅极还是 28nm 呢）！还有啊，整个芯片有亿级数量的晶体管，里面有几个 7nm 的，嘿嘿，就敢号称几 nm 啦！

从150nm到3nm：工艺节点的演变

在芯片制造的早期，工艺节点与晶体管的栅极长度（Gate Length）是直接对应的。例如，在150nm的时代，芯片工艺节点就是150nm，晶体管的栅极长度也是150nm。然而，随着技术的进步，这种简单的对应关系逐渐被打破了。

进入130nm工艺节点时，晶圆厂开始采用等效工艺的概念。所谓等效工艺，即工艺节点的命名并不再直接反映栅极长度，而是反映出晶体管密度和性能的提升。例如，28nm工艺节点的实际栅极长度可能是65nm左右，14nm工艺节点的实际栅极长度可能小于30nm。

3nm工艺背后的真相

近期，全球领先的光刻机制造商ASML在公布其EUV（极紫外光刻）光刻机路线图时，揭示了各大晶圆厂的实际工艺数据。ASML的数据显示，当前所谓的3nm工艺，实际的金属半节距（Metal Pitch）约为23nm，1nm工艺的金属半节距约为18nm。

那么，为什么3nm工艺节点的实际金属半节距会是23nm呢？

首先，我们需要了解金属半节距的概念。金属半节距是指相邻金属线之间的距离的一半，它是衡量芯片工艺精细程度的重要指标。传统的栅极长度（Gate Length）只反映了晶体管的一个维度，而金属半节距则涵盖了更多的细节，如晶体管之间的互连和整体布局。

其次，光刻技术是影响金属半节距的关键因素。目前的EUV光刻机采用13.5nm波长的光刻光源，根据光刻原理，光源波长必须小于要刻蚀的图形尺寸才能实现精确刻蚀。因此，当前EUV光刻机能够实现的最小图形尺寸约为13.5nm，而3nm工艺节点的实际金属半节距为23nm就变得可以理解了。

根据ASML的PPT，我们来复盘总结下关键数据：

N3（3nm工艺）实际对应的金属半节距为23nm。

N2（2nm工艺）实际对应的金属半节距为22nm。

A14（1.4nm工艺）实际对应的金属半节距为21nm。

A10（1nm工艺）实际对应的金属半节距为18nm。

A7（0.7nm工艺）实际对应的金属半节距为18-16nm。

A2（0.2nm工艺）实际对应的金属半节距为16-12nm。

尽管3nm、1nm等工艺节点并不代表实际的物理尺寸，但这些节点名称仍然具有重要意义。它们大致反映了晶体管的密度和性能水平，同时也是市场营销的重要工具。了解这一点后，我们可以更理性地看待各大厂商的宣传。

ASML的EUV光刻机：推动芯片工艺进步的关键

ASML是全球唯一一家能够生产EUV光刻机的公司。EUV光刻机的问世，使得7nm及以下节点的芯片制造成为可能。2023年底，ASML向英特尔交付了首套High NA EUV光刻机，其数值孔径（NA）从标准EUV光刻机的0.33提升至0.55。这一提升使得光刻机的分辨率从13nm提高到8nm，大大提升了制造精度和生产效率。

未来，High NA EUV光刻机将支持2nm芯片的量产，到2029年有望支持1nm芯片的量产。更为先进的Hyper-NA EUV光刻机也正在研发中，预计将进一步推动芯片工艺的进步。

虽然中国目前尚未掌握最先进的EUV光刻机技术，但依靠现有的DUV（深紫外光刻）光刻机，已经能够满足中低端芯片的市场需求。DUV光刻机的成熟应用，使得28nm及以上节点的芯片制造得以顺利进行。通过多重曝光技术可以造出等效工艺7nm的芯片。

通过以上介绍，我们了解到所谓的3nm、1nm工艺节点并不代表实际的物理尺寸，而是反映了晶体管密度和性能的提升。同时，ASML的EUV光刻机是实现这些先进工艺节点的关键设备。当然，制造自己的EUV光刻机是中国半导体行业的目标。尽管这一过程可能需要较长时间，但随着技术的不断积累和突破，我们有理由相信，中国在未来将具备自主研发和生产EUV光刻机的能力。

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