【中篇】中芯國際：重劍無鋒，大巧不工

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原創：橙子不糊塗

前言

《中芯國際》系列分為上、中、下三篇。【上篇】中芯國際：風雨20年，終將見彩虹展示中芯國際歷代核心人物的風采，帶你感受“讓中國芯，走向國際”的公司靈魂。本篇是【中篇】，中芯國際執技術為“重劍”，不斷修行，提升內力。雖是一篇技術文，但請相信我，你不會覺得晦澀難懂而且願意看下去。

2017年前的中芯國際，雖然是國內最先進的晶圓廠，但是放眼世界基本不值得一提。當臺積電已經將工藝推進到7nm節點的時候，中芯國際自己的28nm節點的高階工藝——HKMG還是沒有搞定…

中芯國際一直揹負著先進製程研發不順這個巨大包袱，負重前行步履維艱，幾乎沒有人能看到中芯國際的未來。

2017年10月16日，中芯國際宣佈任命趙海軍、梁孟松博士為中芯國際Co-CEO兼執行董事。

對於梁孟松的加盟，就像一顆驚雷在半導體產業上空炸響，因為所有人都知道這將改變半導體代工產業的世界格局。

如果說，一個人可以改變一個行業，那梁孟松肯定當之無愧！

130nm銅製程一戰成名，FinFET將他推向高峰

將時間拉回到1981年，美國舊金山灣區。

29歲的梁孟松正在加州大學伯克利分校讀博士，而他的導師正好是胡正明——FinFET技術的發明人。胡正明是當時半導體界的傳奇人物，研究集中在MOSFET（一種電晶體）領域，他從實際MOSFET電晶體的複雜物理中推演出了一套數學模型。該數學模型於1997年被國際上38家大公司參與的電晶體模型理事會選為設計晶片唯一且第一個國際標準。

梁孟松師從胡正明，自然精心鑽研在MOSFET領域。1981年-1986年，梁孟松在IEEE上發表了7篇高質量論文，梁孟松高水平的學術背景也決定了他之後將會以研發作為自己的職業方向。

1986年，梁孟松進入AMD工作，研究方向除了MOSFET之外還涉及SRAM靜態儲存器領域。

彼時，華人在美國半導體領域可謂群星璀璨，半導體領域隨處可見華人的身影。中微公司創始人尹志堯1984年加入Intel公司，後在LAM研究、應用材料公司任職長達16年，是華人中當時頂尖的半導體裝置專家。而後來的臺積電鬼才林本堅，也已經在IBM從事微影技術研發長達16年，為之後攢出第一臺193nm浸潤式光刻機做了鋪墊。此外，張汝京也已經在德州儀器（TI）、諾貝爾物理學獎獲得者積體電路發明人傑克·基爾比的團隊，摸爬滾打了將近十年。

在AMD工作幾年後，梁孟松在1992年回到臺灣加入臺積電。張忠謀建立的臺積電，已經是當時全球最大的晶圓代工廠，而梁孟松在MOSFET和SRAM包括DRAM領域的造詣，讓他在臺積電如魚得水。

在1997年-2004年這7年間，梁孟松光在IEEE就發表了30餘篇高質量的論文，涉及材料、工藝、製程等多領域，為臺積電的研發做出了巨大的貢獻。當時Co-COO之一的蔣尚義也認為梁孟松對於技術的精專程度令人敬佩，尤其是在先進製程的研發上更是一員得力大將。

而這7年間有兩篇論文，為他之後在整個晶圓代工領域的發展帶來了無盡的財富。

除了勤奮和天賦，開掛的人生還需要機遇。

2000年，也就是在梁孟松加入臺積電的第八個年頭，IBM向臺積電和聯電提出合作，目的是解決半導體元件中導體連線電阻/電容出現時間延遲的問題。這是因為隨著半導體元件越來越小、導線層數快速增加，鋁製連線線寬縮小，而時間延遲也嚴重影響了電路的操作速度。

當時，業內提出兩個辦法，要麼用低電阻的銅連線，要麼用低介電質絕緣材料（Low-K）作為介電層的材料。

說白了，要麼把導線換成銅，要麼把在某一些地方換其他材料。

IBM其實在2000年左右，就已經“搞定”了銅製程技術和 Low-K 材料想賣給臺積電和聯電。一方面捆綁一起，IBM作為主導者自然話語權最大，另一方面可以向臺積電和聯電收費。

在關鍵抉擇上，格局決定了命運。

張忠謀經過考慮後回絕了IBM，打算搶先研發銅製程技術，徹底壓制IBM。而聯電則買下了IBM的東西，並且一起合作。

其實以當時臺積電的豪華配置，碾壓IBM屬於必然。林本堅、梁孟松，包括2001年加入公司的胡正明，這種神仙配置想想就讓人興奮。

而擅長材料、先進製程研發的梁孟松接過大旗，帶領研發團隊著手研發130nm銅製程技術。

關於這場戰役，前NVIDIA執行長黃仁勳說：“130nm改造了臺積電”。

原本應該硝煙瀰漫、堪稱經典的一戰，卻被IBM和聯電的“不認真”給攪黃了。原來IBM的銅製程技術和Low-K材料，只存在於實驗室階段，發了幾個論文而已，壓根和量產沒有幾毛錢關係，一堆問題都要重頭再來…

這讓聯電噴出一口老血。原本指望一戰翻身，結果再次被生活吊打。

臺積電沒有給他們任何機會。2003年6月在美國舉行的IEEE國際互連技術會議上，梁孟松帶領的臺積電團隊發表了一篇關於“銅製程漏電和擊穿”的論文，表明臺積電不僅已經實現了量產，而且對出現的問題進行了改良，工藝愈發成熟。

臺積電第一次領先整個產業界！而銅製程一戰也奠定了梁孟松的江湖地位。2004年，梁孟松又帶領檯積電將銅製程推進到了65nm節點。

半導體產業界對先進技術總是“公開”的，然而能否理解那個“竅門”以及做到最終做到量產，確實是各家的看家本事。

就在梁孟松如火如荼打算參與銅製程大戰的時候，他的導師胡正明教授正在解決一個更為前瞻的問題——能不能把半導體元件做到25nm以下。

其實早在上世紀90年代，工業界就已經認為當時使用的技術不能夠往下走太多了，於是美國政府徵求學術界的建議，能否將半導體元件做到25nm以下。

胡正明拿到這個題目，提出了兩個方案：一個是FinFET，而另一個是FD-SOI。其實在1999年，胡正明團隊就證實了FinFET技術確實可以有辦法做到25nm以下。

2000年-2001年，胡正明團隊連續發表了《FinFET-a self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm》和《Sub-20 nm CMOS FinFET technologies》兩篇重量級論文，迅速吸引了業界的目光，從理論上解決了25nm以下的疑惑。後來，媒體問道胡正明什麼時候可以生產的時候，胡正明笑著說“大概要到十年以後吧。”

不過當時的產業界並沒有太把FinFET當回事，那玩意兒太前瞻，產業化是否可行是另一個課題，平面的結構依然大有可為。

在2000-2002年，胡正明團隊發表了不下於10篇關於FinFET技術的論文。最為驚豔的除了20nm的兩篇外，應該就是2002年發表的《FinFET scaling to 10 nm gate length》。

學界已經將製程研究推進到了10nm級別，而產業界還在130nm銅製程上鏖戰。

所以恐怕梁孟松也想不到，自己的另一篇重量級論文，會將自己之後的職業生涯推上前所未有的高峰。

2004年，梁孟松與導師胡正明合作，在當年的超大規模積體電路研討會上發表了重磅論文《5nm-gate nanowire FinFET》，第一次驗證了FinFET在5nm的可行性。

這篇論文在當時僅僅是前沿學術研究，然而神奇的半導體人卻在十六年後將它變為了產業事實。

巨大的成就往往伴隨著巨大的機遇，銅製程後梁孟松直接接觸到了FinFET技術極限的研究，這讓梁孟松能夠以超高的起點迅速吸收FinFET技術的精髓。

而很多人如果自己研究，即使很努力，最終也是“十竅開了九竅”，例如之後的三星。

此後，梁孟松保持著對FinFET足夠的重視，從材料、方案、結構各種角度對FinFET進行了深入的研究，因為半導體器件很快就將進入20nm以下的級別。

梁孟松非常清楚，FinFET很有可能是20nm以下的主流工藝。

海闊憑魚躍，來到更廣闊的舞臺

2009年初，梁孟松因為相關的人事變動而離開臺積電。因為禁業協議，梁孟松離開臺積電後無法直接為競爭對手服務，只能在2009年下半年進入成均館大學任教，而好巧不巧的是這所著名韓國私立大學背後的財團恰恰就是三星集團。

2010年6月8日，蘋果釋出iPhone4，三星電子拿下了蘋果A4晶片的所有代工訂單。彼時臺積電已經敏銳地意識到三星電子極度強勢的技術能力，因為臺積電太清楚，iPhone4是劃時代的產品，這將會成為改變整個世界的起點。

2011年，禁業協議到期，梁孟松進入三星電子擔任研發副總。然而臺積電以梁孟松涉嫌洩露FinFET技術給競爭對手為由祭出了老手段——訴訟。

經過幾年的拉扯，最終的奇葩結果是：梁孟松在2015年底前不得為三星提供任何形式的服務。

臺積電昔日六名研發大將曾攜手開發130nm銅製程，領先全球，六人分別為餘振華、梁孟松、孫元成、蔣尚義、楊光磊、林本堅，臺積電創新館展示照片中，缺少餘振華和梁孟松兩位

資料來源：《自由財經》，洪友芳記者拍攝

臺積電“手段”一流，先是張汝京，再是梁孟松，總之跟臺積電打官司應該是半導體業內最不明智的決定。

不要妄想用“公平”這種東西考慮半導體產業，這是奢侈品。

臺積電贏得了和IBM的銅製程一戰，然而在智慧手機的戰場上出師不利。從iPhone4一直到2013年9月釋出的用於iPhone5S上的A7晶片，足足4年都是由三星獨享蘋果迅速膨脹的巨大訂單，一時風頭無兩。

轉折點發生在2014年9月的iPhone6，臺積電憑藉20nm工藝強勢的效能和穩定性贏得了蘋果A8處理的所有訂單。

而對於蘋果來說，這種轉變背後，明顯有更深的意圖。

進入20nm以下的節點，FinFET技術將逐步成為主流，而臺積電對FinFET技術的理解和積累明顯要好過三星。

2014年6月，臺積電開啟“夜鷹計劃”，目的就是在之後的10nm世代追上Intel最終實現全面的領先。對於臺積電來說，這是一場非贏不可的戰役。贏，則繼續領先世界十年；輸，則逐漸被Intel和三星徹底壓制。

臺積電開始廣招“夜鷹”，也就是願意三班倒、24小時不休息的研發人員。

最終，臺積電依靠這種強大的人力資源組織能力和嚴格紀律，加上技術的積累和研發人員的天賦，奠定了在FinFET技術上的絕對領先地位。

對於蘋果來說，三星顯然落後了。

但真正讓蘋果徹底放棄三星的，不是因為三星工藝上的落後。事實上蘋果在2015年9月釋出的iPhone6s使用的A9晶片，同時採用了臺積電的16nm FinFET技術和三星14nm FinFET技術，兩家同時代工。

而令人意想不到的是，三星代工的部分持續出現過熱、不穩定等等各種千奇百怪的問題。

在晶片產業，一旦出現問題就意味著不可使用，不可修復。任何精細的產品出現了問題，只有一個解決方案——換。我們一直使用的PC就是這麼幹的。

但是螢幕可以換，手機晶片怎麼換？如此高度整合的智慧手機，換也沒辦法換。

蘋果第一次被震驚到：原來晶圓代工這個領域有如此高深的絕對知識含量。

蘋果選擇兩家供應商以“分攤風險”的思路在晶片代工領域第一次失效，有效的方案是深度地參與到新一代晶片的開發和生產中，與代工廠一起解決最前沿的問題。

半導體產業界之所以總是有“不合常理”的事情，就是因為這個產業一直在突破人類的認知極限，而一般的商業邏輯在人類的認知範圍之內。

在可預見的未來裡，蘋果也不可能轉向三星代工。臺積電不犯錯，與蘋果繼續合作研發，三星已經沒有機會了。而且臺積電專注於晶圓代工，也讓蘋果內心極度舒適，強大如蘋果，也不想在這個領域見到什麼新鮮對手了。因為當你看見他的時候，他已經足夠強大。

這個產業的殘酷就在於：你不能犯錯，一步錯可能就萬劫不復。看看尼康、IBM、聯電、Intel和現在的三星。

三星在2015年用於生產iPhone6s的14nm FinFET技術，要說與梁孟松無關，這可能是個段子。三星幾乎是從28nm直接躍升到14nm節點。而此前三星一直在FinFET技術的理解和量產上找不到訣竅。

在工藝的研發上，有時候梁孟松僅僅是提示一下“哪個方向不用做了”，就可以省掉三星巨大的時間和人力成本，這是技術核心強大能力的間接體現。

然而對於胸懷大志的梁孟松來說，臺積電的壓制和拉鋸，讓他無法專注於實現自己的抱負。任何人都有職業生命，時間對於像梁孟松這樣的人來說要比平臺重要的多。

此後，市場時常會有傳言梁孟松將加盟中芯國際，然而大家都只當時是“空穴來風”，很明顯，這是不可能的。

你會在65歲從一家大公司跳槽到一家“沒有希望”的小公司嗎？

我也不會，所以我們都是普通人…說到這裡，擦一把淚。

2017年10月，梁孟松正式加盟中芯國際。

與此同時，國家大基金總裁丁文武透露，國家大基金對中芯國際的總投資將近160億元。2017年底，大基金持有中芯國際15。06%的股權，成為第二股東，僅次於大唐國際的16。24%。2018年1月30日，中芯國際又宣佈聯手大基金、上海積體電路產業基金共同投資102億美金強攻14nm及以下先進製程的研發和量產。

這簡直是為梁孟松量身打造的產業配套和資金支援！

再回頭看看這段風雲際會，才發現雲端之處，更有高人。

梁孟松加入中芯國際僅2年，中芯國際的14nm工藝就實現了量產，這對中國半導體產業來說著實是個奇蹟！此前，中芯國際對於FinFET的理解都是紙上談兵，不是完全看不懂，而是根本顧不上…自己28nm HKMG都拎不清楚。

很多人當時不理解為什麼梁孟松要加入中芯國際，可能現在愈發清晰：

中國是未來真正的大舞臺！以巨大的市場和強大的人力資源作為支撐，廣闊天地大有作為。

一切都指向5nm，即使沒有EUV光刻機

2019年6月21日，中芯國際股東大會現場。

梁孟松：“我準備長期服務於中芯國際，和團隊一起將中芯國際帶上另一個高峰！”

話音未落，股東會現場就爆發出熱烈的掌聲！這不僅是與會股東，也是中國整個晶片製造業最希望聽到的聲音！而如此自信的表態，中芯國際已經許久未見過。

在這裡，需要對一些技術做一些解釋，否則很可能會陷入巨大的疑惑。

（1）FinFET技術是什麼？

FinFET全稱：Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場效應電晶體。如果下面的部分是鯊魚，上面的閘門——柵極就像是鯊魚的鰭一樣，控制著電流的接通與斷開。

FinFET是一種3D結構。

我們可以想象，地上一節1米長的水管，接通了水龍頭。當我們想讓他在出口處沒有水流出的時候，我們可以找一塊大石頭壓在中間，水也就被阻擋了。

然而當這節水管越來越短，短到1分米的時候，你可能就找不到那塊石頭，又要有重量、還需要足夠的窄。那麼到了1cm的水管呢？恐怕什麼石頭都無法控制這個水管的水流。

而FinFET的結構是，將“石頭”插入到水管中，直接管控住水流，而不再是從平面的上方進行擠壓。

FinFET我們就瞭解這麼多。

（2）7nm EUV和7nm FinFET是什麼？

我們經常在各種新聞上看到，到了7nm，FinFET就失效了，只能用EUV云云…。

然而實際上，EUV僅僅是極紫外光刻極紫外光刻（Extreme Ultra-violet）的意思，EUV並非全新的技術，而是光刻機用於光刻的光源從之前的深紫外光源DUV（Deep Ultra-Violet）換成了EUV光源。

也就是說，EUV只是一種工藝。我們平時說7nm FinFET工藝和EUV工藝，只是對具體節點工藝的描述。EUV只是光刻機裝置的進化，依然是用來更好的製作FinFET電晶體。

（3）FinFET與GAA

真正與FinFET不同的、可能會在未來成為主流的結構是GAA。就像下圖，我們可能會看到FinFET的鰭，變成了好幾根。

這就好像FinFET是一間平房，而GAA是一棟高樓。2nm及以下，很有可能將會是類似於GAA這樣結構的技術。

具體是什麼我們還不知道，但是業內很明顯已經有了可行的量產方案。臺積電表示，3nm依然是FinFET工藝。

理解完這3個問題，我們已經能給大部分“訊息”勘誤了。

中芯國際從未想過自己能夠在未來若干年領先世界，這也不是我們所需要考慮的。就像一把重劍，不要想著能到“出神入化”的境界。

中芯國際目前最為緊迫的就是加速突破先進製程，快速突破7nm 節點。

過了7nm，中芯國際才算是真正的“全新公司”，才有資格加入牌局。因為格羅方德和聯電已經在止步於7nm的研發，未來突破7nm的將會僅有臺積電、三星、Intel和中芯國際四家，而純代工廠只有臺積電和中芯國際。

有傳2018年，中芯國際購買了一臺ASML EUV光刻機，但是由於眾所周知的原因無法到目前還無法獲得。中芯國際也澄清，EUV只停留在Paper work的階段。

穿過撲朔迷離的迷霧，我們從新的角度去觀察。

（1）當中芯國際的5nm技術和工藝突破的時候，3400B已經“老掉牙”

在ASML披露的2019年年報中，我們看到，ASML已經將EUV光刻機發展到了3400C型號，而即使中芯國際已經採購的，也是3400B型號。

資料來源：ASML公司2019年報

ASML一直在改進他們的EUV，而3400C型號是他們目前最先進的EUV。而3400C明顯指向的是3nm節點，因為臺積電目前給出的3nm節點，是2021年風險性量產，並於2022年正式量產。ASML明確表明下一代的EUV光刻機的研發機型最早會在2022年推向市場，而這明顯是為了2nm極其以下節點而存在的機器。

我們考慮中芯國際7nm研發進度順利，5nm從技術和工藝上也實現了突破，樂觀看2021年實現量產，那麼中芯國際的5nm節點要到2023年才會量產。

屆時，ASML可能已經推出了新一代光刻機（3400D？），而3400B已經是“老掉牙”的裝置。即使根據瓦森納協議，3年後擁有3400B EUV也是可能的。

（2）當我們依然憂慮的時候，我們發現ASML的最新的DUV光刻機其實暗藏玄機

其實臺積電第一代7nm是使用DUV光刻機進行的生產，從時間上看是1980i的型號。因為2000i的型號2018年中推向市場，臺積電顯然已經在進行大規模生產了。

玄機就在這款2000i的DUV型號光刻機中，非常有意思。

TWINSCAN NXT：2000i型號的DUV差不多是2016年開始研發，直到2018年全年組裝了17臺2000i。

在2017年年報中，ASML提到（譯文）：

我們提供了最新的TWINSCAN NXT：2000i浸入系統的早期訪問權，以用於5 nm節點的初步開發。此新系統具有多項硬體創新，提供改進的成像和覆蓋效能，以支援未來節點所需的積極匹配的系統覆蓋到EUV。

2000i，就是為了5nm節點的研發準備的。這是EUV的前站，2000i的成功，讓EUV成為可能。

在2018年的年報中，ASML提到：

我們基於內部KPI（稱為技術領先指數）來衡量創新。該指標包括三個目標：a）DUV效能達到1x 儲存器節點和7/5 nm邏輯處理器的節點；b）產品效能；c）推動EUV的經濟性和可擴充套件性。

將DUV擴充套件到7/5nm邏輯處理器節點，是ASML內部KPI的考核目標。