華為晶元的 1000 天

撰文：Rick

2023年8月的最後幾天，劉燁明顯感覺到晶元部門的氣氛變得有些不同。

“ 同事開始喊著這次要強勢歸來 ”，樂觀的氣氛蔓延到了整個華為內部。

全員沸騰的時刻在 29 日中午進入了高點，劉燁發現朋友圈罕見的被同事刷屏——華為在自己的官方商城毫無預告的上架了新款旗艦手機 Mate 60 pro 。

而人們最關心的是：**Mate 60 pro 所搭載的麒麟 9000s，到底是怎麼來的？ **

馬上就是麒麟 9000 的生日了，我們想在此之前，跟大家講述一下它的下一代晶元麒麟 9000s 的故事，這是一個鼓舞人心的故事。

為此，知危編輯部找到了半導體產業相關人士、華為的前員工、供應鏈上下游企業人士，希望能獲得一些答案，感謝他們在有限的範圍里盡可能坦誠地分享，讓我們得以盡可能準確的窺見晶元行業過去三年的發展路徑。

在其中，知危感受到的，不僅是華為，而是整個產業鏈在為了共同的目標協同進發，完成這個結果。

代號，夏洛特

其實，自麒麟項目啟動起，不少晶元就是交錯研發的。

比如麒麟 920 和麒麟 910，幾乎是並行開發和交付的，這種方式在內部被稱為 **“ 擰毛巾模式 ”。 **

那麼，按照慣例，麒麟9000在2020年量產時，應該已有並行的新專案處於開發狀態。

知危所聯繫的晶元行業相關人士吳旭對 8 月 30 日 購買得到的華為 Mate60 pro 進行了拆機，並且對晶元進行了 Decap（開封）。

進行 Decap 除了觀察分析晶片的內部結構，也是為了尋找麒麟 9000s 的真實量產日期。 此前，互聯網上盛傳晶元外殼上的 “ 2035CN ” 代表晶元是在 2020 年第 35 周生產，但他認為這個資訊的參考價值不大，**更像是某種混淆視聽的 “ 偽裝 ”。 **

吳旭通過酸洗放大后得到了一個特殊的編碼 “ 2017 ”，經過幾方求證，他認為這是 TO（ Tape-out ）日期，也就是積體電路（ IC ）或印刷電路板（ PCB ）設計的最後步驟的日期，一般來講，這個數位出現在晶元金屬層的第 13~15 層。

**而 “ 2017 ” 的含義是，2020 年第 17 周。 **

一般地，晶元會在定稿后 100~200 天開始進行量產，所以，該人士認為，手中**這片麒麟 9000s 的真實生產日期為：2021 年初。 **

晶片量產前要經過四個階段，設計階段、開發階段、試產階段和量產階段。 流片往往是晶元製造中最重要最燒錢的環節，有晶元廠曾估算 7nm 工藝一次流片要 3000 萬美元。 而這個過程至少持續三個月（ 包括原料準備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測試 ），要經過 1000 多道工藝，生產週期較長。

**結合流片時間和該枚晶元的生產日期，該人士判斷麒麟 9000s 的立項時間至少不晚於 2020 年，並且一開始就以不在台積電（ TSMC ）進行生產為目的。 **

另外一位華為員工向知危證實，麒麟 9000s 的立項生產時間在一年半左右，時間 “ 大概 19 年末 ”， 並且在設計階段耗費了一些精力。

該人士稱，海思和其他晶元設計廠不同的地方在於，「 基本上都會做DTCO（ 電路設計與工藝協同優化 ），並且下放到晶體管層面的細節，不只做單純的佈線。 “ 這樣做的好處是性能更好，缺點在於需要更長的時間和更高的技術設計。

“ 比如正常設計的密度和性能是 95%，經過 DTCO 的優化，可能達到 100% 或更好，但是很費時間，還需要和 fab 廠商設計協同。 各晶元設計廠可以做，但基本不做，高通有時候做一些。 ”

根據其掌握的消息，**麒麟 9000s 內部曾有版本被稱為 Hi36b0 。 **Hi 代表華為海思，36 代表麒麟旗艦產品線，b0 代表第十一代。 在這次晶元的量產中，則是採用了新的標識，也就是Hi36a0V120而不是 “ b0 ”。 後面的 “ V120 ” 中的 2 和 0 代表版本更改和小的優化反覆運算數位（ V 後面的 1 在其他華為晶片上指產品代數，例如電視機的晶片第一代是V100第二代是V200，但在 Hi36 麒麟系列上暫不確定其含義 ）。

**除了這串代號，麒麟 9000s 在內部還有一個更容易記住的名字，夏洛特，美國城市名。 **

麒麟晶元雖然以中國神話神獸為稱，但是具體型號在內部一直以美國城市命名。 上一代麒麟 9000 為巴爾的摩，990 為鳳凰城，985 為圖森，980 為亞特蘭大，970 則為波士頓。

製程上，從知危編輯部獲得的麒麟 9000s 的 SEM（ 掃描電子顯微鏡 ）圖來看，麒麟 9000s 的 Cell Height（ 標準單元高度，常用來衡量晶元工藝水準 ）為 240nm。

經過酸洗后放大 60 萬倍的麒麟 9000s 局部圖

2020年，台積電披露自家初代 7nm 低功耗高密度方案時，Cell Height 值也是240nm。

也就是說，毫無疑問，**華為的麒麟 9000s 達到了 7nm 工藝水準。 **

放大 10 萬倍後整齊排列的麒麟 9000s 晶體管

與此同時，知危編輯部獲得了麒麟 9000s 的晶元物理結構圖，結構上，麒麟 9000s 與上一代晶元麒麟 9000 有非常大的差別。

所以，我們可以在這裡略帶興奮或是自豪地告訴大家：**麒麟 9000s 是一款全新的、並非由麒麟 9000 存貨修改而來的、達到了 7nm 先進製程的晶片。 **

吳旭告訴知危，夏洛特共有 8 個核心，為三叢簇（ 一種排佈方式 ），分佈是 1+3+4，主頻最高超過 2600MHz，GPU 則為 Maleoon 910 。

華為的 5G 基帶部分一直都是以 4G+5G 兩個模組、中間用巴龍基帶晶片連接的設計，這一代則沒有採用這種架橋方式，而是用一個模組集成了 4G 與 5G。

和麒麟 9000 相比，夏洛特 CPU Cluster 巨大的面積，發生了大的變化，這代的總線，不像上代的總線與超大核使用了性能庫，這代只有超大核使用了性能庫。

GPU 方面，夏洛特的 Maliang 910 則是 Cu 設計。 其設計規模與上代相比略微縮小了一部分，為 4CU 左右兩組 ALU Core，每組 128Alus，總計 2x4x128Alus=1024Alus，頻率最高750Mhz，理論性能為 1536Gflops，中間的則是 GPU L2 Cache，大約為 1MiByte。 **從其 GPU的規格上來說不與常見的 IMG/MALI/Adreno/Rdna/Cuda 相同。 **

但，眾所周知，華為不具備先進製程晶元的製造能力，所以問題來了：

**在多輪制裁的情況下，華為，或者說中國廠商，是如何做出7nm晶元的？ **

白衣騎士

在之前，華為是比較信任台積電的，**有相關人士向知危透露，當時華為高層內部曾判斷台積電斷供的可能性較低。 **

一方面，制裁前，雙方已經達成了生產最先進製程 5nm 工藝的麒麟 9000 晶片的合作，正處於不斷深入合作的境地。 另一方面，晶元代工錨定一家工廠製造也出於成本考量。

“ 現在看來，在那個環境下，堅持把雞蛋放在一個籃子裡似乎很不明智，一旦台積電拒絕華為的流片（ 試生產 ），就無法繼續生產，走下面的流程 ” 有關人士向知危表示。

2020 年 5 月，來自美國升級制裁，其宣佈限制使用美國技術的廠家（ 如台積電 ）給華為代工晶片，此禁令並未立即實施，美國給出了 120 天緩衝期。

2020 年 7 月 16 日的業績發佈會上，台積電選擇了妥協，表明 9 月 14 日之後，台積電將不再繼續給華為供貨晶片。

華為的反應非常迅速，在制裁發佈之後，內部立刻下達了麒麟 9000 的量產決定。

一般來說，海思設計的晶元要經過多次投片（ 設計好後給工廠進行試生產測試 ），一位華為相關部門的員工向知危表示，**當時麒麟 9000 的決策本來是投片 3 次，但是在第 2 次後遇到了制裁令，所以 “ 第 3 次沒投，直接量產了 ”。 **這些晶元，幫助華為在徹底斷供后支撐了近兩年時間。

2020 年 10 月 31 日，麒麟晶片及技術開發部內部舉辦了一場麒麟 9000 的發佈會，核心主題是 **“ 堅定信念，永不言棄 ”。 **

受訪者供圖

但是，麒麟9000用一片就少一片，未來的晶元麒麟9000s，由誰來打造呢？

2020年，是個特殊的節點，中國廠商處於生死存亡時刻的不僅只有華為，還有中芯國際（ SMIC ）。

這年的中秋節，恰逢國慶假期，中芯國際的前員工徐勤和團隊同事突然被緊急叫到了公司，他們收到了一個令人震驚的消息：美國商務部工業與安全域（ BIS ）已經根據美國進出口管制條例，向中芯國際的部分供應商發出信函，要求其對中芯國際供貨前，必須要申請出口許可。

這個消息在 12 月 4 日才正式由美國國防部發佈，公告中宣稱正式將包括中芯國際在內的四家中國企業加入“ 軍事最終使用者 ”（ Military End-User ）名單。

當時的中芯國際是中國大陸最有可能躋身世界一流行列的晶元製造企業，如果無法得到境外的先進設備和原材料，中芯國際的成長進度會被嚴重拖慢。

措手不及的恐慌和緊急調整的工作並行。 “上面要求每個人分析當前自己的設備，如果停了該怎麼辦？ 解決辦法是什麼？ 零部件、原物料、需要國外廠商過來做服務的設備，自己能做嗎，能做多少？ “ 徐勤回憶。

“ 最壞的打算就是完全切割，不相往來了。 ”

對應的，相關的美國企業也在和律師團隊解讀美政府發佈的資訊，但是涉及國家利益的法令，對方也只能是友好協商，立刻執行，無法越雷池半步。 短期的驚慌之後，中芯國際發現，限制內容集中在高端製程所需技術和設備，“ 卡脖子 ” 留出了一絲呼吸的契機。 也因此，國產替代的步伐被推著進入快車道。

但，最受影響的則是中芯國際的先進製程團隊，據接近中芯國際的人士透露，內部曾有人提議先購買 ASML 的 EUV 光刻設備（ 常用於 7nm 及以下製程的設備 ），同時進行相關製程技術的開發。

**不過，這個提議未被採納。 **因為當時無論是台積電還是三星，都先使用 DUV 光刻來完成 “ 過渡版 ” 的 7nm 工藝，在積累了更多經驗、達到一定規模後，才導入 EUV。 （ DUV 光刻機精度較 EUV 設備低，一般認為，“ 5nm ” 製程是其的製造極限，但業內 7nm 左右就會採用 EUV 光刻機 ）

另一部分原因則是由於設備過於昂貴，推遲了下單時間，並在後續交付不斷被卡，至今無法交付。

中芯原計劃從 28 奈米向 20 奈米進軍，但後來內部決定放棄 20 奈米，直接進入更先進的 14 奈米。 並在 2019 年試產良率從 3% 迅速提高到 95%，實現量產。

關於 7nm 晶片的開發階段，我們可以從 2020 年 12 月梁孟松（ 現任中芯國際聯合首席執行官 ）致董事會的信函中看出一二。 “ 這段（ 2017~2020 ）期間，我盡心協力完成了 28nm 到 7nm，共五個世代的技術開發...... 目前，28nm，14nm，12nm，及 n+1 等技術均已進入規模量產，7nm 技術的開發也已經完成，明年（ 2021 ）4 月就可以馬上進入風險量產......”

有意思的是，信中預估的風險量產時間點為 2021 年 4 月，這與前文中判斷的**麒麟 9000s 生產時間是驚人吻合的。 **

新的問題是，在沒有先進光刻機的情況下，中芯國際使用了哪種技術？ 如果量產 7nm 製程在國產晶片上，會遇到哪些難題？

用刷子畫細線

我們需要重新認識一下晶元了，薄薄的晶元其實內部可能多達百層。

晶片工藝，都是先在矽片上做出晶體管形貌，一層層沉積鍍膜，堆出上面的金屬層、隔離層、鈍化層，其中最底端的才是最核心、工藝最尖端的部分，電容和晶體管都在這裡，叫做底層器件。 一般我們所指的幾納米晶片，指的就是最下面的晶體管部分。

到了 28 奈米以下，因為量子隧穿效應嚴重，會漏電，平面型晶體管無法滿足使用要求，必須把柵極像個魚鰭一樣立著包起來，做成 FinFET，也就是 “ 鰭式場效應晶體管 ”。 說起來，這個創新來自於華裔科學家，曾經的台積電首席技術執行官胡正明教授。

這個時候立體型晶體管其實很難用長度量化，看其到達什麼工藝水準，也就是俗稱的幾納米，要看多個技術指標，比如晶體管柵極、鰭間的最小間距（ Fin Pitch ），Cell Height、以及晶體管密度（ 晶片上每一毫米能容納多少晶體管 ）。

而最先進的 193nm DUV 浸沒式光刻機能夠提供 36~40nm 的半週期解析度，滿足 28nm 邏輯技術節點的要求。 小於這個尺寸，就需要雙重甚至多重光刻技術。

多重光刻技術的核心就是把原來一層光刻的圖形拆分到兩個或者多個掩膜上，用多次光刻和刻蝕來實現原來一層設計的圖形，使其可以蝕刻出超過單次曝光 CD（ Critical Dimension，指在積體電路光掩模製造及光刻工藝中為評估及控制工藝的圖形處理精度，特設計一種反映積體電路特徵線條寬度的專用線條圖形 ）的數據。

雙重曝光被廣泛應用於 22nm、20nm、16nm 和 14nm 技術節點以及先進工藝非關鍵層製作。 但在 EUV 光刻機技術成熟後，台積電、三星逐漸用上 EUV 光刻機，這是一種完全不同的技術路線，只需要一次曝光就能達到效果。

中芯國際要在沒有 EUV 光刻機的前提下做到 7nm，可以說是用 「 舊技術舊機器 」 達到先進目標，**這有點像用鐵杵雕花。 **2019 年台積電曾通過 DUV 設備生產 7nm 節點（ N7 ）晶片，後開始使用EUV光刻機。

實現雙重甚至多重光刻的技術路線有很多種，比如 LFLE 工藝、LELE 工藝、LELELE 工藝、SADP、SAQP 技術等。

之前曾有消息稱華為可能會通過所謂的 「 晶元堆疊 」 技術，用兩個 14nm 晶片達到 7nm 晶片的效果。 但一位了解晶元製程的人士告訴知危這不太可能，“ 一般這種工藝用於 HBM（ 高寬頻記憶體 ）的 3D 封裝技術，並不是一個 14+14=7 的問題，解決兩個晶元組之間的走線設計、能耗、面積等問題都有巨大的難度，用在手機晶元完全不現實。 ”

一位相關人士告訴知危，中芯國際是採用了 SAQP 技術路線來實現 7 nm 工藝的。

另一位近中芯國際的人士透露，2017 年梁孟松加入中芯國際時，要求自己負責的部門技術人員全部學會 SAQP 技術，“ 新入職的工程師都要加班學習這項技術。 ”

那麼所謂 SAQP 技術是什麼呢？

SAQP 的中文名字叫 「 自對齊四重曝光 」，它的實現原理簡單通俗來講是：

（1）先用光刻機畫 “ 格子 ”，隨後用蝕刻機刻出 “ 格子 ”;

（2）在刻出的格子上進行化學氣相沉積鍍膜;

（3）用蝕刻技術去除水準面上的鍍膜，此時我們獲得了由薄膜組成的 「 側壁 」;

（4）再進行一輪蝕刻，這樣我們就獲得了由薄膜側壁組成的更密的 “ 格子 ”;

（5）再進行一次化學氣相沉積鍍膜;

（6）用蝕刻技術去除水準面上的鍍膜;

（7）再次蝕刻，獲得更加密的 “ 格子 ”;

（8）在格子的阻擋下，繼續向下蝕刻;

（9）去掉鍍膜格子，留下真正需要的 “ 格子 ”。

知危另外渲染了一張動圖，以供大家更好理解：

至此，我們利用蝕刻技術，在只擁有 DUV 光刻機這把很粗的 「 刷子 」 情況下，畫出了細線。

其實，無論前文提到的哪種技術理論，都已經出現了多年，但在工藝的技術選擇和節點選擇上，學習曲線會顯得極為重要，因為每跨一步都需要大量的資金和人力。

而中芯國際能完成如此高難度的事，除了關鍵技術人員，或許跟他的企業文化有關。

徐勤認為，“ 服從、強執行力、在技術層面上的絕對務實 「 造就了有 20 餘年歷史的中芯國際」。

“ 明確了研發目標後，結果導向，百分之百執行，更尊重做事的人。 “ 據其觀察，人事的變動對於公司各項目的研發影響很少，加上強執行力，讓公司能有很好的發展。

**知危瞭解到一個未能證實的業內傳言，中芯國際的先進製程團隊，曾經連續三年全年無休，只在一年元旦放了一天假。 **

而從結果上看，按照過去先進工藝的時間節點計算，**中芯國際的確用3年時間，走完了其他廠商10年的路。 **

合璧，良率，成敗在此一舉

相關人士向知危透露，夏洛特立項之後，一開始的代工廠就定為了中芯國際，並且這也是唯一可行的方案，當時華為處於被技術圍堵的階段，從台積電購得的先進晶元即將消耗殆盡，材料進口也受到阻礙。

值得一提的是，**在麒麟 9000 晶元研發時期，華為就曾在中芯國際流過片，“ 但是後來沒上，不過下一代（ 9000s ）就是了 ” 一位中芯國際的員工提到。 **

在制裁的步步緊逼下，去 A（ 美 ）化在華為內部全面展開。 “ 不只是技術上去 A，辦公軟體、專業軟體也一樣，沒有就自己做，最後達到美國產品和技術完全退出工作流 ” 有前員工提到，當時有華為通信部門直接下馬重新論證可行性。

由於無法判斷日益加緊的限制究竟有多大，在最短時間內完成夏洛特的量產就成為重中之重。 雙方合作的第一步就是進行工藝遷移和匹配，這往往被外界忽視。

一般來講，在先進製程上，設計方案與各家代工廠還有一道適配的過程，台積電、三星這樣的先進製程代工廠擁有專門的團隊進行 “ 轉碼適配 ”，但是 “ 中芯國際國際當時沒有這樣的設計規則遷移團隊，華為曾派駐了一支團隊進行工藝適配 ” 相關人士說，整個過程在 3~6 個月左右。

這之後，良率就成為了關鍵。

在半導體領域，良率關乎晶元量產成本，每片晶圓上品質合格的晶元越多，晶元的成本就越低。 而最終良率由每一步工藝的積組成，即使假設某個晶圓廠的產線上每一道製程高達 99%，那麼經過 500 道工序後整體良率只有 0.66%，出來的完全是廢片。 總的來說，良率可以細分為 Wafer（ 矽晶圓 ）良率、Die 良率和封測良率，Die 良率相對對總良率的影響更大。

相關人士告訴知危，夏洛特在風險量產的時候良率大概在 35%，而一般來說，達到量產至少要到 50% 以上，但這也與能達到 90% 以上良率工藝成本相差一倍。

知危另外獲悉，今年，某封裝廠接到夏洛特晶元的訂單，**該廠在近幾個月達到月產能 400 萬片。 **

至於現在的真實總良率，我們不得而知，由於跟晶元成本強相關，這一般會被廠商視為秘密。

但，相關人員向知危透露，**夏洛特在正式量產初期，良率已經達到了 50%-60% 左右，並且之後的良率爬坡也相當可觀，可以支援其成本可控的大規模投產。 **

所以，你可以看到這樣一則新聞：華為目標在 2024 年出貨 6000-7000 萬部智能手機。

而在 2022 年，華為智慧手機的出貨量僅有 3000 萬部左右。

此時，或許我們可以長舒口氣，說一句：

**輕舟已過萬重山。 **

後記

麒麟9000s的成功，或許是晶元國產化的里程碑，但**這隻是漫漫長路上的一個階段性勝利。 **

一位半導體行業從業者擔憂地向知危表示，成果展現後，預期未來的制裁會更加猛烈，這次成功，是在制裁下有限的空間裡 “ 喘了口氣 ”，**“ 卡脖子這個事情，這次它卡在這裡，下次呢？ 下次可能手就伸得更深了 」。 **

在做這篇文章時，知危很真切地感受到，技術的創新突破更多是協同作戰的結果，當一場危機撬動行業時，無法單純的去判斷這到底是一場浩劫還是置之死地而後生的機遇。 很多從業者都有一種莫名的 「信念」。 在他們眼中，只要確定目標，務實協同，就沒有什麼完成不了的事。

我們想，這大概就是所謂的：

**信念可移山。 **

**下一代晶元，代號 “ 納什維爾 ”，正在路上。 **

（ 應受訪者要求，文中所涉人名均為化名 ）