半导体制程之争烽烟再起，“中国芯”该如何反超？|C次元

在新的征程中，国内玩家依然丝毫不能放松。

一直以来，业界普遍认为3nm是摩尔定律的物理极限，是芯片制造技术领域的珠穆朗玛峰。

为了突破芯片性能的天花板，延续摩尔定律，越来越多的芯片厂商斥巨资，不断加入高精芯片技术，试图在先进技术的研发上抢占新一轮的最高点。

或许，很多人还在惊讶于TSMC在3nm工艺研发上的巨额投入，或者是三星绕过过渡的4nm，直接把5nm工艺提升到3nm。然而，在最新的进程轨迹上，久未泡沫化的IBM向业界扔出了一颗致命的“手雷”，似乎让对手大吃一惊。

近年来，TSMC和三星一直在争取3nm工艺的量产，却被“韬光养晦”的IBM抢了先机。根据IBM的最新消息，该公司已经在奥尔巴尼研究实验室开发出业界首款2纳米工艺芯片。虽然目前还在实验室阶段，量产上市还需要几年时间，但消息一出，就会迅速引爆舆论。

面对IBM的“挑衅”，TSMC坐不住了。

在不到一周的时间里，TSMC迫不及待地向世界证明其作为“老大哥”的硬实力。据悉，TSMC已突破1nm以下制程，宣布与台大、麻省理工共同研发出一种新型半导体材料“Bi”，可大幅降低电阻，增加传输电流。

在先进技术的竞技比赛中，抢跑的明星选手被聚光灯照亮，可谓你追我赶，不敢懈怠。然而，越是巨头之间的竞争陷入僵局，来自大陆的选手在进程轨迹上似乎有点落后，“中国芯”的超车依然任重道远。

英特尔撤退，TSMC进入三星。

在去年7月的财报电话会议上，时任英特尔首席执行官的鲍勃·斯万(Bob Swan)被咄咄逼人的分析师淹没了。面对华尔街精英们一系列尖锐的问题，他犹豫了一下，不得不用冰冷低沉的声音回答:

“我们的晶圆厂，可能赶不上了。该公司正在考虑使用承包商来制造7纳米芯片。不排除这种情况。如果需要使用其他公司的技术，我们会提前做好准备。”

听了这些话，几乎所有与会的业内人士都在感叹中发出了同样的感叹:今天的英特尔还是那个曾经什么都羡慕的英特尔吗？

这是英特尔最黑暗的时刻。

产品延期，技术落后，连公司里的工程师都很难保证这些困难只是暂时的。

作为美国制造业的一颗明珠，甚至是20世纪美国资本神话的关键组成部分，英特尔曾经在其辉煌时期只生产技术最复杂、利润最高的零部件。但时至今日，斯瑞博传递的信息不仅与公司传统背道而驰，也让外界怀疑美国在高端制造业的领先地位。

在英特尔内部，斯瑞博更擅长财务。布莱恩·科兹安尼克辞职后，在关键时刻被任命为首席财务官，填补了科再奇留下的领导空白。然而，在斯瑞博掌舵的三年时间里，英特尔的产品和运营遭遇了一系列关键性的攻击。特别是，先进的工艺被多次推迟，设计和架构问题频发，被TSMC和三星等竞争对手甩在了后面。

半导体芯片有三种主要的工作模式。

第一类是IDM(集成器件制造)，可以整合芯片设计、芯片制造、芯片封装测试等多个产业链环节，以三星、英特尔德企为代表。第二类是Fabless，只负责芯片的电路设计和销售，外包生产，测试和……封装，以联发科、博通为代表。第三类是代工厂，只负责制造、封装或测试的一部分。最典型的是TSMC和联华电子。

英特尔是IDM模式的拥趸，这种模式自成体系，拥有包括设计、制造、封装、销售在内的完整产业链。产业链上几乎所有的制造环节都可以自己完成。英特尔称霸江湖50多年，IDM无疑是一把利剑。目前只有三星、德州仪器等芯片巨头能把持全产业链的业务流程。

只是，成功的是萧何，失败的是我。

IDM模式有它的缺点。

第一，那些采用IDM模式的公司，往往需要兼顾整个产业链，不仅要做好芯片设计，还要为工艺研发头疼，还要考虑产品制造等一大堆事情。很难关注R&D流程，并且很容易在流程中“掉链子”。

就在去年，英特尔首次推迟了7nm工艺芯片的发布时间，并将上市日期推迟了半年。最早将于2022年上市，也有可能推迟到2023年。主要原因是7nm工艺存在缺陷，良品率不及预期，实际生产进度比公司内部路线图落后一年。

第二，以Intel为代表的IDM不得不承受公司规模庞大、管理运营成本高、资本回报率低等先天伤害，而这些伤害在Intel这样的领头羊身上被放大，最终导致大象难以转身，大船难以调头。

第三，近年来芯片行业分工越来越细，代工模式日益盛行，英特尔的市场被以TSMC为首的代工慢慢蚕食。就在英特尔宣布7nm制程工艺按下“慢进键”的同时，该公司也无奈地表示，作为应急方案，他们准备外包部分芯片制造计划B，使用其他公司的晶圆代工厂。

关于这一过程的争论又开始了。

早在一年前，三星就宣布成功攻克了3nm工艺中的关键技术GAAFET(环绕栅晶体管)。直到今年3月的IEEE ISSCC国际固态电路大会上，该公司才展示了一款采用3nm工艺制造的新芯片，并首次分享了3nm GAE MBCEFET芯片研发中的诸多细节。

目前的GAAFET技术可以分为两种，一种是传统的常规GAAFET，使用纳米线作为晶体管的鳍片，另一种是MBCFET(多桥沟道场效应晶体管)，使用更厚更宽的鳍片。

长期以来，三星在7nm和5nm的先进工艺上落后于竞争对手TSMC，因此该公司对3nm的工艺寄予厚望，并渴望通过3nm的工艺实现对TSMC的技术赶超。

当然，对于三星来说，这款3nm SRAM芯片也意义重大。它不仅代表了3nm工艺技术的最新里程碑，而且采用了GAAFET的MBCFET技术，实现了晶体管结构的新突破。三星电子副总裁Taejoong Song表示，新芯片具有“高速、低功耗和小面积”的优势，容量为256Mb(32MB)，面积为56平方毫米。

值得一提的是，TSMC和三星在7nm工艺之前都采用了FinFET技术，但从5nm工艺开始，FinFET工艺极限的瓶颈逐渐显现。在3nm工艺芯片的实现路径上，三星决定用MBCFEF取代传统的FinFET，预计明年量产。然而，TSMC仍然坚持FinFET技术，并对传统技术进行改进，暂定于今年下半年投入试产，并计划于明年实现量产。

TSMC和三星仍在为3纳米工艺激烈竞争。沉寂了几年的IBM在今年5月突然放了个大招，发布了2nm芯片制程技术。消息一出，业界一片哗然。许多p……ple还是不敢相信全球首款2nm制程芯片居然是不知名的IBM发布的！根据IBM的多项数据指标，与目前先进的7nm相比，其2nm制程技术将提升45%的性能，降低高达75%的功耗。

最新技术可以在一个指甲盖大小(约150mm)的芯片上安装500亿个晶体管，高于该公司2017年在5nm正式宣布的300亿个，同时也是TSMC在5nm的两倍。IBM甚至声称，这种最新的制程技术可以支持手机的电池寿命达到现有的4倍。今后，手机只需充满一次电就可以使用整整四天。

在晶体管的峰值密度方面，IBM最新发布的3nm工艺约为每平方毫米3.33亿个晶体管(MTr/mm2)，而TSMC 3nm工艺的预计峰值逻辑密度仅为每平方毫米2.92亿个晶体管。

如果一切顺利，IBM的2nm制程技术有望在2023年下半年开始有风险的试产，最快将在2024年进入量产阶段。值得一提的是，2024年也是TSMC 2nm工艺芯片量产的预计时间。该公司预计其2nm工艺芯片将在2023年达到90%的良品率，如果一切顺利，最快将在2024年实现量产。

0

由此可见，尽管TSMC现在已经超越英特尔和三星成为全球市值最大的半导体公司，稳坐全球最大芯片代工厂商的宝座，但其对先进工艺的焦虑却一直存在。要知道，TSMC成立30多年来，长期保持着先进工艺的绝对领先，竞争对手也在一波一波中逐渐分化。最大的敌人不再是UMC，而是英特尔和三星。

面对IBM和三星的工艺野心，TSMC终于坐不住了。IBM刚刚正式宣布2nm工艺研发成功，TSMC在相关领域有了最新动作。它曾高调宣布与省立大学和麻省理工学院联合发表研发成果，并反复强调可以使用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极，在1nm以下的工艺上取得重大突破。

1

SMIC进行了长期的抵抗。

虽然IBM已经发布了2nm制程技术，TSMC也宣布将用1nm先进制程挑战摩尔定律的物理极限，但这些都没有得到量产验证。在工艺技术方面，世界上最先进的芯片技术是5纳米，但只有TSMC和三星可以制造它。

在的芯片厂商中，技术最先进的厂商是SMIC，它也是目前国内领先的晶圆代工厂，甚至被称为mainland China芯片产业的“希望”。不过值得一提的是，公司现阶段最先进、最成熟的工艺也仅仅停留在14nm。

也是在最近，SMIC发布了最新一个财政季度的财务结算报告。数据显示，SMIC第一季度营业收入11亿美元(折合人民币约71亿元)，同比增长22%，净利润1.589亿美元(折合人民币约10.25亿元)，较去年同期增长126%，远超市场预期。在新的征程中，国内玩家依然丝毫不能放松。

一直以来，业界普遍认为3nm是摩尔定律的物理极限，是芯片制造技术领域的珠穆朗玛峰。

为了突破芯片性能的天花板，延续摩尔定律，越来越多的芯片厂商斥巨资，不断加入高精芯片技术，试图在先进技术的研发上抢占新一轮的最高点。

或许，很多人还在惊讶于TSMC在3nm工艺研发上的巨额投入，或者是三星绕过过渡的4nm，直接把5nm工艺提升到3nm。然而，在最新的进程轨迹上，久未泡沫化的IBM向业界扔出了一颗致命的“手雷”，似乎让对手大吃一惊。

近年来，TSMC ……d三星一直在争取3nm工艺的量产，却被“韬光养晦”的IBM抢了先机。根据IBM的最新消息，该公司已经在奥尔巴尼研究实验室开发出业界首款2纳米工艺芯片。虽然目前还在实验室阶段，量产上市还需要几年时间，但消息一出，就会迅速引爆舆论。

面对IBM的“挑衅”，TSMC坐不住了。

在不到一周的时间里，TSMC迫不及待地向世界证明其作为“老大哥”的硬实力。据悉，TSMC已突破1nm以下制程，宣布与台大、麻省理工共同研发出一种新型半导体材料“Bi”，可大幅降低电阻，增加传输电流。

在先进技术的竞技比赛中，抢跑的明星选手被聚光灯照亮，可谓你追我赶，不敢懈怠。然而，越是巨头之间的竞争陷入僵局，来自大陆的选手在进程轨迹上似乎有点落后，“中国芯”的超车依然任重道远。

英特尔撤退，TSMC进入三星。

在去年7月的财报电话会议上，时任英特尔首席执行官的鲍勃·斯万(Bob Swan)被咄咄逼人的分析师淹没了。面对华尔街精英们一系列尖锐的问题，他犹豫了一下，不得不用冰冷低沉的声音回答:

“我们的晶圆厂，可能赶不上了。该公司正在考虑使用承包商来制造7纳米芯片。不排除这种情况。如果需要使用其他公司的技术，我们会提前做好准备。”

听了这些话，几乎所有与会的业内人士都在感叹中发出了同样的感叹:今天的英特尔还是那个曾经什么都羡慕的英特尔吗？

这是英特尔最黑暗的时刻。

产品延期，技术落后，连公司里的工程师都很难保证这些困难只是暂时的。

作为美国制造业的一颗明珠，甚至是20世纪美国资本神话的关键组成部分，英特尔曾经在其辉煌时期只生产技术最复杂、利润最高的零部件。但时至今日，斯瑞博传递的信息不仅与公司传统背道而驰，也让外界怀疑美国在高端制造业的领先地位。

在英特尔内部，斯瑞博更擅长财务。布莱恩·科兹安尼克辞职后，在关键时刻被任命为首席财务官，填补了科再奇留下的领导空白。然而，在斯瑞博掌舵的三年时间里，英特尔的产品和运营遭遇了一系列关键性的攻击。特别是，先进的工艺被多次推迟，设计和架构问题频发，被TSMC和三星等竞争对手甩在了后面。

半导体芯片有三种主要的工作模式。

第一类是IDM(集成器件制造)，可以整合芯片设计、芯片制造、芯片封装测试等多个产业链环节，以三星、英特尔德企为代表。第二类是Fabless，只负责芯片的电路设计和销售，外包生产、测试和封装，以联发科、博通为代表。第三类是代工厂，只负责制造、封装或测试的一部分。最典型的是TSMC和联华电子。

英特尔是IDM模式的拥趸，这种模式自成体系，拥有包括设计、制造、封装、销售在内的完整产业链。产业链上几乎所有的制造环节都可以自己完成。英特尔称霸江湖50多年，IDM无疑是一把利剑。目前只有三星、德州仪器等芯片巨头能把持全产业链的业务流程。

只是，成功的是萧何，失败的是我。

IDM模式有它的缺点。

第一，那些采用IDM模式的公司，往往需要照顾到整个产业链，不仅要做好芯片设计，还要有头脑……对于工艺研发，也要考虑产品制造等很多东西。很难关注R&D流程，并且很容易在流程中“掉链子”。

就在去年，英特尔首次推迟了7nm工艺芯片的发布时间，并将上市日期推迟了半年。最早将于2022年上市，也有可能推迟到2023年。主要原因是7nm工艺存在缺陷，良品率不及预期，实际生产进度比公司内部路线图落后一年。

第二，以Intel为代表的IDM不得不承受公司规模庞大、管理运营成本高、资本回报率低等先天伤害，而这些伤害在Intel这样的领头羊身上被放大，最终导致大象难以转身，大船难以调头。

第三，近年来芯片行业分工越来越细，代工模式日益盛行，英特尔的市场被以TSMC为首的代工慢慢蚕食。就在英特尔宣布7nm制程工艺按下“慢进键”的同时，该公司也无奈地表示，作为应急方案，他们准备外包部分芯片制造计划B，使用其他公司的晶圆代工厂。

关于这一过程的争论又开始了。

早在一年前，三星就宣布成功攻克了3nm工艺中的关键技术GAAFET(环绕栅晶体管)。直到今年3月的IEEE ISSCC国际固态电路大会上，该公司才展示了一款采用3nm工艺制造的新芯片，并首次分享了3nm GAE MBCEFET芯片研发中的诸多细节。

目前的GAAFET技术可以分为两种，一种是传统的常规GAAFET，使用纳米线作为晶体管的鳍片，另一种是MBCFET(多桥沟道场效应晶体管)，使用更厚更宽的鳍片。

长期以来，三星在7nm和5nm的先进工艺上落后于竞争对手TSMC，因此该公司对3nm的工艺寄予厚望，并渴望通过3nm的工艺实现对TSMC的技术赶超。

当然，对于三星来说，这款3nm SRAM芯片也意义重大。它不仅代表了3nm工艺技术的最新里程碑，而且采用了GAAFET的MBCFET技术，实现了晶体管结构的新突破。三星电子副总裁Taejoong Song表示，新芯片具有“高速、低功耗和小面积”的优势，容量为256Mb(32MB)，面积为56平方毫米。

值得一提的是，TSMC和三星在7nm工艺之前都采用了FinFET技术，但从5nm工艺开始，FinFET工艺极限的瓶颈逐渐显现。在3nm工艺芯片的实现路径上，三星决定用MBCFEF取代传统的FinFET，预计明年量产。然而，TSMC仍然坚持FinFET技术，并对传统技术进行改进，暂定于今年下半年投入试产，并计划于明年实现量产。

TSMC和三星仍在为3纳米工艺激烈竞争。沉寂了几年的IBM在今年5月突然放了个大招，发布了2nm芯片制程技术。消息一出，业界一片哗然。很多人还是不敢相信全球首款2nm制程芯片居然是名不见经传的IBM发布的！根据IBM的多项数据指标，与目前先进的7nm相比，其2nm制程技术将提升45%的性能，降低高达75%的功耗。

最新技术可以在一个指甲盖大小(约150mm)的芯片上安装500亿个晶体管，高于该公司2017年在5nm正式宣布的300亿个，同时也是TSMC在5nm的两倍。IBM甚至声称，这种最新的制程技术可以支持手机的电池寿命达到现有的4倍。今后，手机只需充满一次电就可以使用整整四天。

在晶体管的峰值密度方面，IBM最新发布的3nm工艺约为每平方毫米3.33亿个晶体管(MTr/mm2)，而TSMC 3nm工艺的预计峰值逻辑密度仅为每平方毫米2.92亿个晶体管。

如果一切顺利，IBM的2nm制程技术有望在2023年下半年开始有风险的试产，最快将在2024年进入量产阶段。值得一提的是，2024年也是TSMC 2nm工艺芯片量产的预计时间。该公司预计其2nm工艺芯片将在2023年达到90%的良品率，如果一切顺利，最快将在2024年实现量产。

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由此可见，尽管TSMC现在已经超越英特尔和三星成为全球市值最大的半导体公司，稳坐全球最大芯片代工厂商的宝座，但其对先进工艺的焦虑却一直存在。要知道，TSMC成立30多年来，长期保持着先进工艺的绝对领先，竞争对手也在一波一波中逐渐分化。最大的敌人不再是UMC，而是英特尔和三星。

面对IBM和三星的工艺野心，TSMC终于坐不住了。IBM刚刚正式宣布2nm工艺研发成功，TSMC在相关领域有了最新动作。它曾高调宣布与省立大学和麻省理工学院联合发表研发成果，并反复强调可以使用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极，在1nm以下的工艺上取得重大突破。

1

SMIC进行了长期的抵抗。

虽然IBM已经发布了2nm制程技术，TSMC也宣布将用1nm先进制程挑战摩尔定律的物理极限，但这些都没有得到量产验证。在工艺技术方面，世界上最先进的芯片技术是5纳米，但只有TSMC和三星可以制造它。

在的芯片厂商中，技术最先进的厂商是SMIC，它也是目前国内领先的晶圆代工厂，甚至被称为mainland China芯片产业的“希望”。不过值得一提的是，公司现阶段最先进、最成熟的工艺也仅仅停留在14nm。

也是在最近，SMIC发布了最新一个财政季度的财务结算报告。数据显示，SMIC第一季度营业收入11亿美元(折合人民币约71亿元)，同比增长22%，净利润1.589亿美元(折合人民币约10.25亿元)，较去年同期增长126%，远超市场预期。据国外媒体报道，一个由德国、美国和英国的物理学家组成的研究小组试图以纳米尺度的空间分辨率观察电子从一个原子层移动到相邻原子层的方式。在导电、非导电和超导材料的研究中，非接触纳米显微镜这一新概念具有巨大的应用潜力。

4

(来源:phys.org)

现在，纳米技术已经成为电脑、智能手机、汽车等电子产品中不可或缺的一部分。晶体管和二极管已经发展到纳米尺度，相当于百万分之一毫米。传统的光学显微镜不足以检测这些纳米结构。在这种情况下，科学家们使用更复杂的电子或扫描隧道显微镜来代替光学显微镜。然而，这些技术使用电子而不是光，这将影响……测试纳米级设备的性能。此外，这些测量技术只能用于导电样品。

雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米显微镜中心(RUN)的Rupert Huber和Jaroslav Fabian、密歇根州立大学的Tyler Cocker和英国曼彻斯特大学的Jessica Boland等物理学家推出了一种新技术，可以在纳米水平上分析电子运动，无需电接触。而且这种新方法可以达到万亿分之一秒的飞秒时间分辨率。结合超高的空间和时间分辨率，有可能在纳米尺度上记录超快电子动力学慢动作图像。

这项技术包含的概念类似于非接触式支付技术。这种支付技术基于既定的频率和宏观协议，如近场通信(NFC)。科学家从纳米尺度探索相关想法，利用尖锐的金属尖端作为纳米天线来接近研究样本。相比之下，在现有技术中，尖端驱动电流通过样品，新概念是通过弱交变电场以非接触方式扫描样品。实验中使用的频率已经提高到太赫兹光谱范围，比NFC扫描仪中的频率高出约10万倍。

通过这些微弱电场的微小变化，得到了关于材料中局部电子运动的准确结论。结合实测结果和实际的量子理论，可以看到这个概念甚至支持定量结果。为了实现高时间分辨率，物理学家使用极短的光脉冲来记录电子在纳米距离内移动的清晰快照。

研究小组选择了一种叫做过渡金属二硫化物的新材料作为第一个测试样品，这种材料可以在原子水平上产生。当这些板以自由选择的角度堆叠在一起时，具有新材料特性的人造固体就会出现。在雷根斯堡的1277合作研究中心，研究人员对这种固体进行了深入研究。研究的样品由两种不同原子厚度的二硫化物分子复合物制成，以测试未来太阳能电池的核心。照射在结构上的绿光会导致电荷载流子出现，并根据极性(太阳能电池的基本原理)向一个或另一个方向移动，将光转化为电。科学家们已经观察到纳米精度的空间和时间超快电荷分离。

令人惊讶的是，即使当二硫化物分子复合层被微小的杂质覆盖时，它也能有效地分离电荷。这些重要的见解有助于优化未来太阳能电池或计算机芯片的新材料。研究人员说:“我们迫不及待地想记录绝缘、导电和超导材料中的电荷转移过程。”据国外媒体报道，一个由德国、美国和英国的物理学家组成的研究小组试图以纳米尺度的空间分辨率观察电子从一个原子层移动到相邻原子层的方式。在导电、非导电和超导材料的研究中，非接触纳米显微镜这一新概念具有巨大的应用潜力。

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(来源:phys.org)

现在，纳米技术已经成为电脑、智能手机、汽车等电子产品中不可或缺的一部分。晶体管和二极管已经发展到纳米尺度，相当于百万分之一毫米。传统的光学显微镜不足以检测这些纳米结构。在这种情况下，科学家们使用更复杂的电子或扫描隧道显微镜来代替光学显微镜。然而，这些技术使用电子而不是光，这将影响纳米级设备的性能。此外，这些测量技术只能用于导电样品。

雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米显微镜中心(RUN)的Rupert Huber和Jaroslav Fabian、密歇根州立大学的Tyler Cocker和英国曼彻斯特大学的Jessica Boland等物理学家推出了一种新技术，可以在纳米水平上分析电子运动，无需电接触。而且这种新方法可以达到万亿分之一秒的飞秒时间分辨率。结合超高的空间和时间分辨率，有可能在纳米尺度上记录超快电子动力学慢动作图像。

这项技术包含的概念类似于非接触式支付技术。这种支付技术基于既定的频率和宏观协议……例如近场通信(NFC)。科学家从纳米尺度探索相关想法，利用尖锐的金属尖端作为纳米天线来接近研究样本。相比之下，在现有技术中，尖端驱动电流通过样品，新概念是通过弱交变电场以非接触方式扫描样品。实验中使用的频率已经提高到太赫兹光谱范围，比NFC扫描仪中的频率高出约10万倍。

通过这些微弱电场的微小变化，得到了关于材料中局部电子运动的准确结论。结合实测结果和实际的量子理论，可以看到这个概念甚至支持定量结果。为了实现高时间分辨率，物理学家使用极短的光脉冲来记录电子在纳米距离内移动的清晰快照。

研究小组选择了一种叫做过渡金属二硫化物的新材料作为第一个测试样品，这种材料可以在原子水平上产生。当这些板以自由选择的角度堆叠在一起时，具有新材料特性的人造固体就会出现。在雷根斯堡的1277合作研究中心，研究人员对这种固体进行了深入研究。研究的样品由两种不同原子厚度的二硫化物分子复合物制成，以测试未来太阳能电池的核心。照射在结构上的绿光会导致电荷载流子出现，并根据极性(太阳能电池的基本原理)向一个或另一个方向移动，将光转化为电。科学家们已经观察到纳米精度的空间和时间超快电荷分离。

令人惊讶的是，即使当二硫化物分子复合层被微小的杂质覆盖时，它也能有效地分离电荷。这些重要的见解有助于优化未来太阳能电池或计算机芯片的新材料。研究人员说:“我们迫不及待地想记录绝缘、导电和超导材料中的电荷转移过程。”

标签：世纪RAM

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