一块晶圆的产能分析

近些日子，作为国内通讯和手机行业领军企业的华为又遇到了新的大麻烦，在接下的数年甚至更长的日子里，可能会面临芯片断供的危机。那问题是小小的一个手机芯片为什么不能自主生产？到底是怎么回事？ 其实说白了，一个小小的手机芯片，论研发，华为有数以万计的顶尖工程师去共同开发大脑，但是论最顶尖最前沿的生产技术，还真不是我们国家的芯片制造行为力所能及的。全球的芯片制造业基本被美国垄断或直接或简接的控制着，而制造芯片依靠的是EUV***这种高顶端的机器。

高端***被称为“现代光学工业之花”，制造难度很大，全世界只有少数几家公司能制造。目前，基本都在荷兰，而且价格非常昂贵，动辄上亿美金一台，属于行业垄断产品。我们先不论垄断的原则，先说说，一台最先进的EUV***一天能刻多少颗芯片？ 每年，全球的手机的出货量是以数十亿部以上计算，那么这么尖端的***可以同时刻多少颗芯片才能满足全球手机的出货需求量？以荷兰阿斯麦公司为例，作为全球***的龙头企业，2019年一共才卖了26台EUV***，有一半是卖给了台积电。 作为阿斯麦最大的客户，台积电在晶圆代工领域独占半壁江山，在先进工艺制程研发上也是业界领先。据台积电官网公布的数据，2019年台积电公司年产能超过1200万片12寸晶圆产量。换算成每个月的话，月产量是100万片左右。

这里要注意下它是说多少万片晶圆的产能，并没有说多少颗芯片。 那晶圆又是什么东西呢？ 晶圆是指制作硅半导体积体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。硅晶圆是一种厚度大约在1mm(毫米)以下，呈圆形的硅薄片。目前国内晶圆生产线以8英寸和12 英寸为主。

在这个硅晶片上我们可以加工制作成各种电路元件结构，让它成为有特定电性功能的IC产品，比如芯片之类的东西。而这种圆形薄片有很多尺寸，比如8英寸大小，12英寸大小，18英寸大小，甚至更大的。事实上芯片制程越小，晶圆的尺寸就越大。

目前14nm或以下制程的芯片，全部采用12寸的晶圆片来制造的，因为晶圆越大，衬底成本就越低。未来甚至会有18寸或更大的硅晶圆片出现。但从目前的数据来看，12英寸晶圆的出货面积占全部半导体硅片出货面积的65%左右，8英寸的占20%左右，其它的主要是更小尺寸的晶圆片了。那如果用12寸的晶圆来制作芯片，一块能够制作出多少块芯片呢？ 12英寸晶圆的表面积大约为70659平方毫米。芯片这边呢，咱们就拿华为麒麟990 5G来举例，它的芯片面积为113.31平方毫米（就这么点地方集成了多达103亿个晶体管），如果100%利用的话，可以生产出700块芯片。但是这是不可能的，原因是因为芯片是方形的，晶圆是圆形的，一定会有边角料留下，所以就不能简单的用晶圆的面积除以晶片的面积。

晶圆上的芯片其实可以看作是圆形所能容纳下的所有方形的集合。可以采用以下公式： 每个晶圆的晶片数=（晶圆的面积/晶片的面积）-（晶圆的周长/（2*晶片面积）的开方数） 晶圆的周长=圆周率π *晶圆直径 业界所谓的6寸，12寸还是18寸晶圆其实就是晶圆直径的简称，只不过这个寸是估算值。实际上的晶圆直径是分为150mm，300mm以及450mm这三种。所以最终计算出大概是在640块左右，但考虑到良品率等问题，实际能生产的芯片大约在500-600块左右。所以一个月的产能是多少片12寸的圆晶时，就可以计算出一个月能生产多少芯片了。 上面说到台积电每月的产能达到了100万片晶圆，那就相当于每月可以提供5-6亿部手机的芯片。那么作为目前国内最大最先进的晶圆厂——中芯国际，它这边的产能是怎么样的呢？

根据中芯国际公开数据显示，在2020年第二季度，月产能合计48万片晶圆左右。所以，可以看出中芯国际与全球晶圆代工龙头台积电相比，差距还是很大的。而且最先进的技术还存在很大的代差，中芯国际目前只能生产14nm芯片，而最新的N+1工艺的芯片将于2020年年底量产。N+1工艺可以比肩台积电的7nm芯片。但因为其在性能和规格上和台积电规定的标准7nm芯片还有所差距，更何况台积电早已将芯片生产工艺升级到了5nm，甚至在2022年可以达到3nm的水平。

前文所提华为的困境，其实归根结蒂还是芯片的生产受制于人的结果，长期依赖进口而无法自主生产高端芯片，也将成为我国手机市场甚至是高端仪器无法自主研发生产的痛处。但是，中国科技发展并不会因为外界的打压而停滞不前，只会是越来越快，需要一代人甚至两代的科研工作者静下心来，用人力、时间和大量的资金去堆积出来。俯首耕耘，自主研发，才不会在将来继续抬头望人项背。