文 | 半導體產業縱橫
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%，遙遙領先行業平均，市場份額進一步擴大到 70%。
2018 前后開始風險生產的 7nm 節點。Intel 選擇了 DUV 光刻機，因良率問題量產困難。TSMC 選擇了切換到 EUV 光刻機，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，取得了先進工藝的領先地位。
2022 前后開始風險生產的 3nm 節點，三星選擇切換到更先進的 GAA 晶體管，性能不及預期，又因良率問題量產困難。TSMC 選擇了沿用 FinFET 架構，并借助材料和工藝創新來提高性能和密度，率先進入量產。而三星的 GAA 工藝雖然在 2022Q2 年就宣布開始量產，但 2024Q1 年被曝光良率
這場百億級商業機會的角逐，勝負的天平早在 2018 年就已經向臺積電傾斜。2018 年 5 月，三星宣布將在 3nm 節點開始采用 GAA 晶體管。彼時，7nm 工藝尚未量產，用于 3nm 的技術還處于早期預研階段。IBM 等晶圓廠對 GAA 晶體管的研發在 2017 年剛剛取得重大突破，展現出非常顯著的性能提升潛力。而進一步提升 FinFET 性能的關鍵技術也處于學術探討階段。臺積電、三星和 Intel 對 3nm 工藝的技術選型，都是在缺乏數據支撐的情況下，提前 5 年做了價值數百億美元的抉擇。
為什么臺積電每次都能在技術路線的岔路口，選擇正確的路線呢？
臺積電的工藝研發部門搭建了一套數字孿生系統，在仿真環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險。在這套量化評估系統的支撐下，臺積電得以 " 未戰而妙算 "，避免了孤注一擲的豪賭，在科技和商業競爭中接連獲勝。
借助 TCAD 產品，晶圓廠可以通過數值仿真，取代昂貴、費時的實驗，縮短工藝研發周期 30% 以上，降低流片成本超 50%（據國際半導體技術路線圖 ITRS 數據）。晶圓廠也會利用 TCAD 對不同器件結構進行仿真優化，對電路性能及電缺陷等進行模擬，以此提高器件和電路的性能，在 FinFET、GAA 等先進工藝節點的研發中，TCAD 對器件結構優化的貢獻率超 70%。
可以說，TCAD 的應用水平，決定了晶圓廠的工藝先進性和良率，它是晶圓廠器件和工藝研發的核心軟件，也是晶圓廠制定芯片工藝規格書的必備工具。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，專注于最先進的工藝節點（如 5nm, 3nm, 2nm）、FinFET、GAA 等復雜三維器件的模擬，是業界公認的黃金標準；芯師電子的 TCAD 在功率器件（Power Devices）、化合物半導體（GaN, SiC）有比較明顯的優勢。
2011 年之后，兩家后起新秀加入了這一領域的角逐，它們分別是奧地利公司 Global TCAD Solutions 和中國公司蘇州培風圖南半導體有限公司，前者以商業化維也納工業大學（TU Wein）的前沿器件仿真學術成果著稱，后者以能全面對標新思科技及擁有出色的虛擬晶圓廠工具 Emulator 而聞名。
今年 5 月下旬，美國商務部工業與安全局（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，且未設緩沖期。這一禁令，對于比較成熟的通用型的芯片企業來說影響不大，但先進制程再次遭受重創。近年來，美國通過 " 實體清單 " 等手段，限制任何使用美國技術的公司（包括臺積電、三星）為中國特定企業（如華為）代工芯片，并通過設備和軟件的禁運，極力阻撓中國芯片生產加工工藝的進步。中國在過去全球化浪潮中，憑借市場和人才優勢，成功地在產業鏈的 " 設計 " 環節占據了重要位置，但對更基礎、更需要長期技術積累的 " 制造 " 環節投入不足。意識到制造環節的重要性，國家在政策、資金和行業布局等多方面加大投入。比如，區別于一期基金以產能擴張為主要目標，國家集成電路產業投資基金更注重產業鏈協同增強，形成 " 設備 - 制造 " 聯動。
行業龍頭企業華大九天在存儲芯片領域實現突破，今年 8 月，其官宣的 " 存儲全流程 EDA 解決方案 "，突破了傳統設計模式受困于海量陣列、復雜信號處理的瓶頸，滿足了超大規模 Flash/DRAM 存儲芯片對存儲密度、性能、交付效率等的嚴苛要求。
對于正努力解決 " 制造 " 瓶頸的中國半導體產業，TCAD 擁有除了前文所述的重要作用外，還承擔著很多特殊任務：
繞過部分限制：在無法獲得最先進 EUV 光刻機等設備的情況下，可以利用 TCAD 在現有工藝平臺上進行極致優化，挖掘技術潛力，提升產品性能。
加速技術積累：通過仿真可以快速學習和理解國際先進技術的物理本質，縮短自身的技術摸索時間，為自主創新打下堅實基礎。
支撐產線協同：幫助國內的芯片設計公司（Fabless）與晶圓代工廠（Foundry）更高效地合作。設計公司可以通過代工廠提供的 TCAD 仿真模型，更好地設計電路，減少 MPW（多項目晶圓）流片失敗的風險。
總之，TCAD 是連接工藝理論與生產實踐、器件物理與電路設計的不可或缺的橋梁。它雖然不是生產線上直接制造芯片的機器，但卻是驅動這些機器如何更好地工作的 " 大腦 "，是現代半導體制造業的基石性工具。
已發生的 3nm 競爭中，TCAD 已從輔助工具升級為戰略勝負手。未來，隨著 2nm 制程引入 CFET（互補場效應管）和 CFET（互補場效應管），TCAD 需解決三維異質集成與量子效應耦合等新挑戰，其重要性將進一步凸顯。可以預見，誰能更高效地利用 TCAD 優化工藝、縮短研發周期，誰就能在先進制程的 " 馬拉松 " 中占據先機。
