7奈米製程是啥？

一般人可能會以為做半導體晶片跟做蛋糕一樣 ，一層一層疊上去就會成功了， 但是蛋糕做壞了還能吃 ，半導體做壞了，漏電太大的，耗電太多的、速度太慢的則只能報廢 。

記得40年前年我初入半導體業時，聯電最先進的製程是6微米，也就是6000奈米，後來艱辛的進入 3微米，也就是3000奈米，那時候的工程師還可以用光學顯微鏡，看看產品有沒有缺點。因為光波波長400-800奈米。時隔40年，不知不覺中，半導體製程竟然已經跨過1000奈米，進入130奈米，28、14 奈米，來到7奈米天險了，而且連5、3、2奈米的路程圖也攤開來。

一顆矽原子直徑約0.1奈米，如果製程最薄處真的只有7奈米厚，就是說一片絕緣物是一片用70顆矽原子組成的氧化矽城牆，這麼薄的城牆，基本上是比1mm玻璃還透光的，更有趣的是，依照量子力學，所有被關在牆內的電子，自然會有10%分佈在牆外，這種現象是量子力學的必然，與製程良窳無關，但是這種量子現象，從巨觀世界看，就是電晶體D-S間有10%漏電，也就是水龍頭關不死的意思。

一顆MOS電晶體有三個極
D Drain 受極
S Source 源極
G Gate 閘極
閘極是用來控制從源極流往受極的電流，閘極G上的微小電壓可以控制D-S（源-受極）間的大電流，如同水龍頭控制水流，而能達成邏輯閘功能。兩個邏輯閘結合可以成為一個記憶體，很多邏輯閘可以組成CPU DSP FPGA….等等.

7奈米世界的IC電路設計工程師，必需在忍受D-S間有漏電，如同使用有漏水的水龍頭，設計浴室一樣，要用漏電的邏輯閘設計出可以用的邏輯電路。從此遊戲規則不再是以前絕對的1=100% 全通電 0=0% 完全斷電，而是類比型的1=70% 通電0=30%漏電。這種情形對我們這些玩過類比電路的老骨頭，覺得沒啥困難，因為古代的鍺電晶體Icbo漏電也是很嚴重。 但是對數位時代的小孩而言，可能會瘋掉 。

Icbo 是古代鍺電晶體常見的熱漏電，與主題無關，在這裏暫不詳談。

假的7奈米製程
還好現在台積電號稱7奈米的製程，其實是騙人的，宣稱7奈米的電晶體，線寬其實是40奈米，閘極寬是20奈米，只有最細的D-S通道是寬7奈米，高52奈米、長60奈米，一顆MOS電晶體長寬高仍有40x60x100奈米大，這樣的尺寸離會產生量子隧道效應，造成嚴重漏電的7奈米，其實還很遠，所以因量子力學造成的漏電只有1%，也就是1=99% 通電 0=1% 漏電 ，邏輯工程師還不需要太慌張。

2/3/5奈米
可是如果有一天製程真的到達號稱2奈米，實際絕緣牆是6奈米時，量子力學的物理現象就會很明顯，例如1=60% 通電 0=40%漏電， 到了1奈米製程，城牆剩下3.5奈米厚時，1=55% 通電 0=45% 漏電，就會很好笑，就會需要下一代的天才AI工程師，或我們這一代曾經用過高漏電鍺晶體的老頭子來處理，來克服嚴重量子漏電問題。

我希望那時候，量子電腦已經實用化了，現在這種矽晶體做的半導體已經如同真空管一樣變成骨董，放進博物館了。

******* 回到現實*********

如何建一條7奈米生產線
ㄧ條7奈米生產線，光是設備成本就要6000億台幣起跳，金額高到用國家力量支持都很吃力，台灣一年的稅收是20000億，只夠做3條7奈米生產線。

一家半導體公司每年的毛利如果沒有超過300億美金，是不可能每年投入200億美金資本支出的 ，一旦停止資本支出，就等著被別人超越。 毛利300億美金，等於1000億美金以上的營業額，即3兆台幣，比台灣一年的2兆元稅收還多 ，幾乎是20兆GDP的15%。

歐盟
即使傾全歐洲之力，也未必能支持一家長期虧錢的半導體公司，如果可以早就做了，如果做了就等著良率太低，生意不好，每年虧損100億美金，等於3000億台幣，歐洲各國財政早已捉襟見肘，一定不會持久，必定始亂終棄。

韓國
曾經的世界第一名，韓國三星的7奈米製程，即使還沒進入量子漏電世界，在巨觀世界的漏電問題就已無法解決，不用可靠的FIN，貪心直跳GAA 結構，良率會更搞不定，不但會繼續虧錢，而且會害死高通，高通貪便宜請三星代工，有點自取滅亡，也讓聯發科 有機會順利超車。

美國
世界第一強國美國的 二號CPU DSP廠AMD ，早已徹底絕悟，放棄生產，全面請台積電代工，做出來的CPU立即將世界第一的Intel 打趴在地上，Intel的10奈米製程，至今良率上不來，一片12寸晶圓，製造成本美金15000元，如果良率高，做出200個良品，每顆成本美金75元，賣美金200元，賺得盆滿缽滿，每一個人都開法拉利 。現在一片出來，測不到50片良品，等於一個CPU製造成本300元，賣一顆要倒賠100元，老本快要吃光了，Intel想要學AMD改請台積電代工，又拉不下臉，也怕一旦做了就回不去了，真是進退失據，最近CEO又吹牛說要花200億美金，增加設備趕上台積電，但是金融業沒有一個看好他的昂的，股價通通投反對票 。

美國軍方DARPA
雖然很著急，害怕最重要的飛彈用F-35 、F-22用的高速FPGA及其它IC都要靠台積電單一供應商，萬一台灣有事，例如大地震或阿共來犯就慘了，但是DARPA也不是白癡，不可能花300億美金再培養一個比Intel 更糟的阿斗。

中國
全世界最有錢的中國，人才最優秀最奮鬥的民族，全世界最優秀最有效率的政府，從台灣挖走梁孟松、蔣尚義..等等諸多人才 。中國人雖然比台灣小孩還努力，還肯加班，但是缺乏最基本的紀律感與自律心，所以中國的半導體業努力20多年，20歲的中芯連14奈米的良率都還搞不定，根本無力分兵研發7奈米製程。中芯甚至連第一代ASML光刻機都還買不到，更不要說是為台積電特制的，能使產能再升高50%第三代超高功率光刻機。中國的新創半導體公司，不幸都是一群陳進漢芯、武漢弘芯之類的騙子在圈錢，在騙國家補助，都是騙子在騙傻子。

汽車業全面缺半導體
中國、日本、韓國、美國、德國、法國、應該、義大利的汽車業為了缺半導體而停止生產， 傳統電子業也連帶遭殃，所以全世界各國都想恢復做半導體，過去20年被韓國跟台灣打倒的的日本半導體生產業 ，也想死灰復燃 ，不過他們的想法比較實際，都想學美國，邀請台積電去設廠 ，他們知道全世界只剩台灣人會願意去設廠，而且真的可以做好 。可惜他們沒有美國那種強制力，與大手筆，開出的條件，又猶抱琵琶半遮面 ，夫人做不到做妾也不願意 ，做婢做娼更是蹲不下來。

為什麼美國、日本都想請台積電去設廠呢？ 他們現有的東芝NEC 日立、飛利浦、摩托羅拉、德州、三星、英飛凌不行嗎？

是的！ 不行！

因為全世界只有韓國人跟台灣人願意忍受半導體廠那種高壓力工作， 不論學歷再高也願意嚴守紀律。那些在黃光室都敢偷吃三明治的美國工程師，是不可能做出7奈米的半導體的 ，更不用說各國都缺乏台灣這種既優秀又願意爆肝，可以24小時接受傳呼拋家棄子返回工廠加班解決問題的工程師/技術員，願意操作乏味機器的碩士，願意彎腰搬晶片、調化學品的博士。

光罩
7奈米製程，完成一組光罩要20億台幣，將來的1/3/5奈米的只會更貴，如果做錯就要再加20億，價錢高到小公司根本無力客製一顆IC，比以前14奈米時代做一組光罩只要2億台幣、28奈米時代做一組光罩只要2000萬元，相差很多倍，已不是小孩子可以參加的遊戲。

其實不是所有IC都需要7奈米
很多汽車零件、消費電子零件、玩具所需要的IC，用28奈米製程做就卓卓有餘了，如果日本、美國、歐洲公司不好高騖遠 ，願意做14-28奈米製程，其實是比較正確的 ，例如聯電就早已決定不跟7奈米了。

基礎建設
台灣已經發展出一套完整的基礎建設，所有半導體生產需要 的氣體、液體都是供應商用雙層管路直接送進工廠 ，跟自來水一樣。世界任何國家，如果想在沙漠裡建立一個工廠，所有的氣體液體都要一桶一桶的放在外面。一隻鐵釘一顆螺絲也要空運進來，運轉將會很艱難。

為什麼半導體工廠 要建在無人沙漠 ，因為以前他們歐美日人自己建的半導體廠，四周的土地、地下水都被污染毒害到寸草不生 。這就是為什麼歐美日本後來都漸漸放棄生產半導體的真正原因 。太陽電池也是有一樣的問題，所以全世界只剩下中國人肯做。

台灣的半導體廠本來也有嚴重污染 的問題 ，後來環保要求越來越嚴格 ，他們才做了很多回收以及高溫毒氣燒毁設備。

水電
半導體生產除了必需耗用大量電力以外，也要使用大量的水 ，在缺電、缺水的地方是不適合發展的。

周邊
在台灣以外的地區建廠，除了工廠本身以外，其他周邊的協力廠商要全部重建一套，難度很高 。全世界很少國家能夠像台灣一樣，任何需要的東西都可以在兩小時車程內買得到，在21世紀，地大物博已經不是 優點。小而美的台灣才是贏家。

阿凱2021-04-12

以上文字只是我在疏洪道榕樹下打瞌睡時聽神仙說的，完全沒有任何根據，如果你知道的比較正確，你一定是正確的，所有數字都是隨便掰的，如果與實際數字相差10倍也是有可能的。

後記
ZI Hao Huang 問：
想請問台積電能7->5->3->2製程進步的原因是什麼呢？掌握技術了嗎？他們不是只負責代工嗎？若是技術進步又會是什麼原因呢（美方支援？

阿凱回覆：
一開始是菲律普教的，後來是美國TI IBM Motorola 等IC廠回來的人才帶回技術，最近20年是自己研發的，製程進步的目的是要降低成本，提高速度、減少功耗。

例如製程從14奈米進步到7奈米，速度增加2倍，耗電為1/4 ，同一個12寸晶圓產量變成4倍，每片IC成本降為1/3，就可以用定價將競爭者逼到無利潤邊緣，使其漸漸窮困而死。以前是三星用這種戰術打敗日本德國美國廠，也想勒死台灣的所有IC工廠，現在是台積電用這種戰術餓死三星。