农业立国、制造业强国，自第一次工业革命至今，制造业都是衡量一个国家综合国力的重要标准。中国作为世界工厂，制造业产值全球瞩目，然而在高端制造业领域，却一直比较落后。特别是在消费电子领域，芯片制造一直是国内制造业的短板。以华为为例，在手机、笔记本电脑、5G 基站领域无往而不利，结果却因为无法与台积电继续合作而功败垂成。

台积电究竟有什么了不起，它为什么能决定华为的“生死”，台积电、三星、英特尔有什么区别，它们与芯片制造又有什么关系？小黑这篇文章将为大家解读！

从一颗沙子到一颗芯片

小黑记得，初中生的课本上就讲过，芯片的制程材料是硅，与沙子的主要成分一致。然而，从一颗沙子到一颗芯片，却是这个世界上最为艰难的“旅程”，涉及全球数百家顶级公司，哪怕有一个环节失衡都会功亏一篑。

芯片的诞生过程主要分为IC设计、IC制造和IC封测三大环节。IC 设计，顾名思义就是画图纸，指导工厂如何制造芯片。可能有的小伙伴不了解，画图纸有什么难的，随便拉来一个工科大学生都会画。

其实，IC 设计远没有这么简单。一颗芯片最大不过小拇指指头大小，其中却包含了近百亿晶圆，如此庞大的晶圆需要细致地画出图纸，即使世界上最小的笔也无法实现。因而IC 设计需要EDA 工具来辅助设计。

EDA 又叫电子设计自动化，在EDA工具诞生之前，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作。随着上世纪七十年代集成电路复杂程度与日俱增，开发人员尝试将整个设计过程自动化，通过编程语言来辅助设计，芯片的功能设计、综合、验证、物理设计、布局、布线、版图、设计规则检查等都可以通过EDA 工具来模拟。

▲ EDA工具

由于EDA工具极为复杂，市场基本只有少数企业能够完成，Synopsys、Cadence和Mentor是目前主流EDA工具厂商，所有IC 设计厂家都离不开他们。

有了EDA工具之后，就可以从容进行IC 设计，华为海思就是一家IC 设计厂商，通过不断设计、优化，让芯片发挥更大的功效。以前，IC 设计分为PC端与移动端（或者说手机端），苹果、华为、高通、三星、联发科在智能手机芯片设计上处于领先地位，英特尔与AMD 在PC端处于领先地位。然而，上个月苹果发布的M1 PC端芯片打破了这一格局，目前苹果横跨PC端与移动端，技术明显领先于竞争者。

众所周知，苹果的研发实力举世罕见，不过苹果芯片强大的实力背后，还有台积电的鼎力支持。苹果M1 芯片震撼世人，台积电至少有一半功劳。很多人都知道台积电是代工厂，但是大部分人都不知道，台积电与苹果所有的代工厂都不一样，它独有的技术甚至可以改变世界。

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制程的差异

在苹果手机上游，有着长长的供应链名单，有提供手机比例的蓝思科技，有提供屏幕的三星、LG，有提供内存的美光、海力士，还有提供组装的富士康、立讯精密，但是这些供应商加起来，也没有台积电对苹果的影响大。

无论是手机还是电脑，其核心都是硬件性能，苹果如果想要保持领先的处理器性能，就必须使用台积电的制造工厂。原因很简单，台积电的工艺水平超出竞争对手一大截。

小黑在前面说过，芯片制造主要分为IC设计、IC制造和IC封测，现阶段IC封测对芯片性能影响不大，主要就靠IC设计与IC制造。而在IC制造领域，主要的衡量标准就是制程。在最近几年的手机发布会上，制程这个词屡屡出现。Mate 30 首发台积电7nm 制程，iPhone12 首发台积电5nm制程，高通骁龙888 首发三星 5nm 制程，此类报道屡见不鲜。

从表面上看，台积电与三星处于第一梯队，制程工艺达到5nm；英特尔处于第二梯队，制程工艺才刚刚达到10nm；再后面就是国内的中芯国际，以及放弃先进制程的格罗方德、台联电等厂家，制程工艺还停留在14nm。

事实上，制程工艺在各大制程厂家有着完全不同的定义，在14nm工艺之前，大部分厂家都严格按照标准命名。大名鼎鼎的“摩尔定律”，描述的就是制程工艺之迭代：单位面积上晶体管数量，每18个月增加一倍。

然而，14nm之后，三星与台积电先后抛弃这一标准，各自制定独特的制程标准，因而对比晶体管密度或许更有意义。

▲ 制程工艺与晶体管密度

以晶体管密度来衡量，只有英特尔严格按照摩尔定律命名工艺节点，英特尔的的10nm制程工艺赶超台积电7nm制程，略逊于三星的6nm制程与台积电的7nm＋制程。在最先进的制程工艺方面，目前台积电5nm制程工艺遥遥领先，三星5nm制程工艺虽然名字都是5nm，但是晶体管密度差距明显，真实实力远逊于台积电5nm制程。

大名鼎鼎的“摩尔定律”，描述的就是制程工艺之迭代：单位面积上晶体管数量，每两年（也有说法是 18 个月）增加一倍。至于英特尔，10nm 制程才刚刚用于轻薄本低压芯片，7nm制程遥遥无期。按照原计划，晶体管密度比台积电5nm更高的英特尔7nm制程将于2021年量产，届时英特尔将与台积电处于同一水平（台积电2021年计划推出5nm＋制程）。结果几个月前，英特尔宣布由于技术缺陷，英特尔7nm将推迟到2022年底或2023年初，这一表态也直接导致英特尔股价暴跌。

先进制程带来优势

前文说到，先进制程可以增加晶体管密度，换句话说同样面积的芯片，可以“塞入”更多晶体管。像苹果A14 处理器，单颗芯片塞入了118亿晶体管，而华为麒麟9000处理器，更是塞入153亿晶体管。虽然晶体管数量不代表芯片性能，但是在IPC 设计水平相同的情况下，晶体管数量越多性能肯定越强（苹果设计水平高，因而在晶体管数量少的条件下性能更强）。

另一方面，先进制程还能带来功耗降低。台积电表示，与7nm工艺相比，同样的性能下5nm工艺功耗降低30％。通俗地说，5nm工艺可以用更少的电量实现同样的性能。5nm制程的使用，也是苹果M1 芯片续航暴增的原因之一。

与英特尔、AMD 两大主流PC 芯片厂家相比，苹果M1 芯片续航优势主要在两大方面：一方面，arm架构天生比X86 架构省电；另一方面，就是苹果 M1 芯片在制程上领先。以英特尔为例，上一代苹果macbook 采用的10代i7 采用的是英特尔14nm＋＋＋＋ 制程工艺，与台积电5nm 有着接近两代的工艺节点差距，因此才会出现性能、续航都是被“吊打”的局面。

当然，这样对比并不公平，毕竟英特尔最新发布的11代i7 已经用上10nm 制程工艺。可惜，英特尔10nm也只能跟台积电7nm、7nm＋媲美，综合性能依然落后于台积电5nm。因此11代i7也只能在单核性能上与M1 “打得”不相上下，多核性能远远落后于M1。至于续航，采用11代i7处理器的笔记本电脑，续航通常在10小时左右，而M1 续航已经达到18 小时以上。

手机、电脑的性能取决于设计与制造，制造的关键又在于制程。在芯片诞生的历程上，设计、制造缺一不可，今年华为如此艰难，就是因为只掌握了芯片设计，在芯片制造上找不到台积电的替代品。因此，台积电终止与华为合作，麒麟芯片也就无法生产，华为整个手机部门都面临“缺芯”难题，为了生存甚至拆分荣耀。

制造业是立国之本，而芯片制造又是制造业王冠上的宝石，在外部环境波澜诡谲的情况下，全面提升芯片设计与制造迫在眉睫。如今，在整个芯片产业链中，华为海思、紫光展锐在IC 设计上处于第一、第三梯队；中芯国际、华虹半导体在IC 制造上处于第三、第四梯队；华大九天、上海微电子在EDA 工具、光刻机制造领域还处于刚刚入门水平。半导体研发之路光荣而艰巨，国内厂家想拿下这颗制造业王冠上的宝石，所面临的阻碍与挑战还有很多。对此，小黑只想说：“加油，中国半导体人！”