文 | 半导体产业纵横
打开全球各大晶圆代工厂2025Q2的财报 ，TSMC一枝独秀：营收同比增长大于40%，遥遥领先行业平均，市场份额进一步扩大到70%。
回顾历史，近期先进逻辑工艺的几个重大技术分岔点，台积电全部做出了正确的选择，没有明显的错误。
2018前后开始风险生产的7nm节点。Intel选择了DUV光刻机，因良率问题量产困难。TSMC选择了切换到EUV光刻机，成本更低，良率更高。Intel花了3年时间，才解决了良率问题，但错过了市场窗口。台积电一举超越Intel，取得了先进工艺的领先地位。
2022前后开始风险生产的3nm节点，三星选择切换到更先进的GAA晶体管，性能不及预期，又因良率问题量产困难。TSMC选择了沿用FinFET架构，并借助材料和工艺创新来提高性能和密度，率先进入量产。而三星的GAA工艺虽然在2022Q2年就宣布开始量产，但2024Q1年被曝光良率
这场百亿级商业机会的角逐，胜负的天平早在2018年就已经向台积电倾斜。2018年5月，三星宣布将在3nm节点开始采用GAA晶体管。彼时，7nm工艺尚未量产，用于3nm的技术还处于早期预研阶段。IBM等晶圆厂对GAA晶体管的研发在2017年刚刚取得重大突破，展现出非常显著的性能提升潜力。而进一步提升FinFET性能的关键技术也处于学术探讨阶段。台积电、三星和Intel对3nm工艺的技术选型，都是在缺乏数据支撑的情况下，提前5年做了价值数百亿美元的抉择。
为什么台积电每次都能在技术路线的岔路口，选择正确的路线呢？
台积电的工艺研发部门搭建了一套数字孪生系统，在仿真环境中探索了海量的材料和工艺组合，逐一评估性能收益和良率风险。在这套量化评估系统的支撑下，台积电得以“未战而妙算”，避免了孤注一掷的豪赌，在科技和商业竞争中接连获胜。
这套数字孪生的核心便是EDA软件一个独特的分支——TCAD仿真软件。TCAD（Technology Computer Aided Design）全称是半导体工艺和器件仿真软件，是全面地描述工艺和器件物理的研发工具软件。它将半导体制造工艺中的薄膜、刻蚀、光刻、离子注入、扩散、氧化、化学平坦化等步骤，以及晶体管物理特性背后需要考虑的量子约束、弹道输运等高阶物理效应，总结成偏微分方程组，用数值方法求解。
借助TCAD产品，晶圆厂可以通过数值仿真，取代昂贵、费时的实验，缩短工艺研发周期30%以上，降低流片成本超50%（据国际半导体技术路线图ITRS数据）。晶圆厂也会利用TCAD对不同器件结构进行仿真优化，对电路性能及电缺陷等进行模拟，以此提高器件和电路的性能，在FinFET、GAA等先进工艺节点的研发中，TCAD对器件结构优化的贡献率超70%。
可以说，TCAD的应用水平，决定了晶圆厂的工艺先进性和良率，它是晶圆厂器件和工艺研发的核心软件，也是晶圆厂制定芯片工艺规格书的必备工具。多年来，全球 TCAD 仿真工具主要被两家美国公司新思科技和芯师电子（Silvaco）垄断。新思科技作为TCAD软件的全球龙头，专注于最先进的工艺节点（如5nm, 3nm, 2nm）、FinFET、GAA等复杂三维器件的模拟，是业界公认的黄金标准；芯师电子的TCAD在功率器件（Power Devices）、化合物半导体（GaN, SiC）有比较明显的优势。
2011年之后，两家后起新秀加入了这一领域的角逐，它们分别是奥地利公司Global TCAD Solutions和中国公司苏州培风图南半导体有限公司，前者以商业化维也纳工业大学（TU Wein）的前沿器件仿真学术成果著称，后者以能全面对标新思科技及拥有出色的虚拟晶圆厂工具Emulator而闻名。
从“强设计、弱制造”向“设计与制造协同发展”的转型
今年5月下旬，美国商务部工业与安全局（BIS）突然对EDA三巨头（新思科技、楷登电子、西门子）下发出口限制通知，要求其向中国大陆客户销售EDA工具需提前申请许可，且未设缓冲期。这一禁令，对于比较成熟的通用型的芯片企业来说影响不大，但先进制程再次遭受重创。近年来，美国通过“实体清单”等手段，限制任何使用美国技术的公司（包括台积电、三星）为中国特定企业（如华为）代工芯片，并通过设备和软件的禁运，极力阻挠中国芯片生产加工工艺的进步。中国在过去全球化浪潮中，凭借市场和人才优势，成功地在产业链的“设计”环节占据了重要位置，但对更基础、更需要长期技术积累的“制造”环节投入不足。意识到制造环节的重要性，国家在政策、资金和行业布局等多方面加大投入。比如，区别于一期基金以产能扩张为主要目标，国家集成电路产业投资基金更注重产业链协同增强，形成“设备 - 制造”联动。
行业龙头企业华大九天在存储芯片领域实现突破，今年8月，其官宣的“存储全流程EDA解决方案”，突破了传统设计模式受困于海量阵列、复杂信号处理的瓶颈，满足了超大规模Flash/DRAM存储芯片对存储密度、性能、交付效率等的严苛要求。
对于正努力解决“制造”瓶颈的中国半导体产业，TCAD 拥有除了前文所述的重要作用外，还承担着很多特殊任务：
- 绕过部分限制：在无法获得最先进EUV光刻机等设备的情况下，可以利用TCAD在现有工艺平台上进行极致优化，挖掘技术潜力，提升产品性能。
- 加速技术积累：通过仿真可以快速学习和理解国际先进技术的物理本质，缩短自身的技术摸索时间，为自主创新打下坚实基础。
- 支撑产线协同：帮助国内的芯片设计公司（Fabless）与晶圆代工厂（Foundry）更高效地合作。设计公司可以通过代工厂提供的TCAD仿真模型，更好地设计电路，减少MPW（多项目晶圆）流片失败的风险。
总之，TCAD是连接工艺理论与生产实践、器件物理与电路设计的不可或缺的桥梁。它虽然不是生产线上直接制造芯片的机器，但却是驱动这些机器如何更好地工作的“大脑”，是现代半导体制造业的基石性工具。
已发生的3nm 竞争中，TCAD 已从辅助工具升级为战略胜负手。未来，随着 2nm 制程引入 CFET（互补场效应管）和 CFET（互补场效应管），TCAD 需解决三维异质集成与量子效应耦合等新挑战，其重要性将进一步凸显。可以预见，谁能更高效地利用 TCAD 优化工艺、缩短研发周期，谁就能在先进制程的 “马拉松” 中占据先机。
