編者按：本文來自微信公眾號 “半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”（ID：ICViews），作者：ICVIEWS編輯部，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。

打開全球各大晶圓代工廠2025Q2的財報 ，TSMC一枝獨秀：營收同比增長大于40%，遙遙領(lǐng)先行業(yè)平均，市場份額進(jìn)一步擴(kuò)大到70%。

回顧歷史，近期先進(jìn)邏輯工藝的幾個重大技術(shù)分岔點，臺積電全部做出了正確的選擇，沒有明顯的錯誤。

2018前后開始風(fēng)險生產(chǎn)的7nm節(jié)點。Intel選擇了DUV光刻機(jī)，因良率問題量產(chǎn)困難。TSMC選擇了切換到EUV光刻機(jī)，成本更低，良率更高。Intel花了3年時間，才解決了良率問題，但錯過了市場窗口。臺積電一舉超越Intel，取得了先進(jìn)工藝的領(lǐng)先地位。

2022前后開始風(fēng)險生產(chǎn)的3nm節(jié)點，三星選擇切換到更先進(jìn)的GAA晶體管，性能不及預(yù)期，又因良率問題量產(chǎn)困難。TSMC選擇了沿用FinFET架構(gòu)，并借助材料和工藝創(chuàng)新來提高性能和密度，率先進(jìn)入量產(chǎn)。而三星的GAA工藝雖然在2022Q2年就宣布開始量產(chǎn)，但2024Q1年被曝光良率<20%，至今仍在良率爬坡階段苦苦掙扎。憑借3nm工藝，臺積電在2024年狂攬162億美元（其3nm工藝占全年總營收的18%），到2025年第一季度這一比例更是攀升到22%。而三星，至今仍未贏得任何一家大客戶青睞，市占率近乎為零。這一戰(zhàn)，臺積電的FinFET架構(gòu)大獲全勝，三星的GAA架構(gòu)舉步維艱。另據(jù)估算，臺積電和三星各自在3nm工藝節(jié)點的研發(fā)投入了超過100億美元。

這場百億級商業(yè)機(jī)會的角逐，勝負(fù)的天平早在2018年就已經(jīng)向臺積電傾斜。2018年5月，三星宣布將在3nm節(jié)點開始采用GAA晶體管。彼時，7nm工藝尚未量產(chǎn)，用于3nm的技術(shù)還處于早期預(yù)研階段。IBM等晶圓廠對GAA晶體管的研發(fā)在2017年剛剛?cè)〉弥卮笸黄?，展現(xiàn)出非常顯著的性能提升潛力。而進(jìn)一步提升FinFET性能的關(guān)鍵技術(shù)也處于學(xué)術(shù)探討階段。臺積電、三星和Intel對3nm工藝的技術(shù)選型，都是在缺乏數(shù)據(jù)支撐的情況下，提前5年做了價值數(shù)百億美元的抉擇。

01為什么臺積電每次都能在技術(shù)路線的岔路口，選擇正確的路線呢？

臺積電的工藝研發(fā)部門搭建了一套數(shù)字孿生系統(tǒng)，在仿真環(huán)境中探索了海量的材料和工藝組合，逐一評估性能收益和良率風(fēng)險。在這套量化評估系統(tǒng)的支撐下，臺積電得以“未戰(zhàn)而妙算”，避免了孤注一擲的豪賭，在科技和商業(yè)競爭中接連獲勝。

這套數(shù)字孿生的核心便是EDA軟件一個獨特的分支——TCAD仿真軟件。TCAD（Technology Computer Aided Design）全稱是半導(dǎo)體工藝和器件仿真軟件，是全面地描述工藝和器件物理的研發(fā)工具軟件。它將半導(dǎo)體制造工藝中的薄膜、刻蝕、光刻、離子注入、擴(kuò)散、氧化、化學(xué)平坦化等步驟，以及晶體管物理特性背后需要考慮的量子約束、彈道輸運等高階物理效應(yīng)，總結(jié)成偏微分方程組，用數(shù)值方法求解。借助TCAD產(chǎn)品，晶圓廠可以通過數(shù)值仿真，取代昂貴、費時的實驗，縮短工藝研發(fā)周期30%以上，降低流片成本超50%（據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖ITRS數(shù)據(jù)）。

晶圓廠也會利用TCAD對不同器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，對電路性能及電缺陷等進(jìn)行模擬，以此提高器件和電路的性能，在FinFET、GAA等先進(jìn)工藝節(jié)點的研發(fā)中，TCAD對器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的貢獻(xiàn)率超70%?？梢哉f，TCAD的應(yīng)用水平，決定了晶圓廠的工藝先進(jìn)性和良率，它是晶圓廠器件和工藝研發(fā)的核心軟件，也是晶圓廠制定芯片工藝規(guī)格書的必備工具。多年來，全球 TCAD 仿真工具主要被兩家美國公司新思科技和芯師電子（Silvaco）壟斷。

新思科技作為TCAD軟件的全球龍頭，專注于最先進(jìn)的工藝節(jié)點（如5nm, 3nm, 2nm）、FinFET、GAA等復(fù)雜三維器件的模擬，是業(yè)界公認(rèn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)；芯師電子的TCAD在功率器件（Power Devices）、化合物半導(dǎo)體（GaN, SiC）有比較明顯的優(yōu)勢。2011年之后，兩家后起新秀加入了這一領(lǐng)域的角逐，它們分別是奧地利公司GlobalTCAD Solutions和中國公司蘇州培風(fēng)圖南半導(dǎo)體有限公司，前者以商業(yè)化維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wein）的前沿器件仿真學(xué)術(shù)成果著稱，后者以能全面對標(biāo)新思科技及擁有出色的虛擬晶圓廠工具Emulator而聞名。

02從“強設(shè)計、弱制造”向“設(shè)計與制造協(xié)同發(fā)展”的轉(zhuǎn)型

今年5月下旬，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）突然對EDA三巨頭（新思科技、楷登電子、西門子）下發(fā)出口限制通知，要求其向中國大陸客戶銷售EDA工具需提前申請許可，且未設(shè)緩沖期。這一禁令，對于比較成熟的通用型的芯片企業(yè)來說影響不大，但先進(jìn)制程再次遭受重創(chuàng)。近年來，美國通過“實體清單”等手段，限制任何使用美國技術(shù)的公司（包括臺積電、三星）為中國特定企業(yè)（如華為）代工芯片，并通過設(shè)備和軟件的禁運，極力阻撓中國芯片生產(chǎn)加工工藝的進(jìn)步。中國在過去全球化浪潮中，憑借市場和人才優(yōu)勢，成功地在產(chǎn)業(yè)鏈的“設(shè)計”環(huán)節(jié)占據(jù)了重要位置，但對更基礎(chǔ)、更需要長期技術(shù)積累的“制造”環(huán)節(jié)投入不足。意識到制造環(huán)節(jié)的重要性，國家在政策、資金和行業(yè)布局等多方面加大投入。比如，區(qū)別于一期基金以產(chǎn)能擴(kuò)張為主要目標(biāo)，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金更注重產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同增強，形成“設(shè)備 - 制造”聯(lián)動。

行業(yè)龍頭企業(yè)華大九天在存儲芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，今年8月，其官宣的“存儲全流程EDA解決方案”，突破了傳統(tǒng)設(shè)計模式受困于海量陣列、復(fù)雜信號處理的瓶頸，滿足了超大規(guī)模Flash/DRAM存儲芯片對存儲密度、性能、交付效率等的嚴(yán)苛要求。

對于正努力解決“制造”瓶頸的中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，TCAD 擁有除了前文所述的重要作用外，還承擔(dān)著很多特殊任務(wù)：

繞過部分限制：在無法獲得最先進(jìn)EUV光刻機(jī)等設(shè)備的情況下，可以利用TCAD在現(xiàn)有工藝平臺上進(jìn)行極致優(yōu)化，挖掘技術(shù)潛力，提升產(chǎn)品性能。

加速技術(shù)積累：通過仿真可以快速學(xué)習(xí)和理解國際先進(jìn)技術(shù)的物理本質(zhì)，縮短自身的技術(shù)摸索時間，為自主創(chuàng)新打下堅實基礎(chǔ)。

支撐產(chǎn)線協(xié)同：幫助國內(nèi)的芯片設(shè)計公司（Fabless）與晶圓代工廠（Foundry）更高效地合作。設(shè)計公司可以通過代工廠提供的TCAD仿真模型，更好地設(shè)計電路，減少MPW（多項目晶圓）流片失敗的風(fēng)險。

總之，TCAD是連接工藝?yán)碚撆c生產(chǎn)實踐、器件物理與電路設(shè)計的不可或缺的橋梁。它雖然不是生產(chǎn)線上直接制造芯片的機(jī)器，但卻是驅(qū)動這些機(jī)器如何更好地工作的“大腦”，是現(xiàn)代半導(dǎo)體制造業(yè)的基石性工具。

已發(fā)生的3nm 競爭中，TCAD 已從輔助工具升級為戰(zhàn)略勝負(fù)手。未來，隨著 2nm 制程引入 CFET（互補場效應(yīng)管）和 CFET（互補場效應(yīng)管），TCAD 需解決三維異質(zhì)集成與量子效應(yīng)耦合等新挑戰(zhàn)，其重要性將進(jìn)一步凸顯?？梢灶A(yù)見，誰能更高效地利用 TCAD 優(yōu)化工藝、縮短研發(fā)周期，誰就能在先進(jìn)制程的 “馬拉松” 中占據(jù)先機(jī)。

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