與兩年前相比，三星3nm今年的關(guān)注度明顯降低，有其自身原因，更多的可能還是技術(shù)市場的風(fēng)云變化。

最近，臺積電終于公開承認(rèn)了自己的3nm計劃，并表示四月份將會公布具體技術(shù)細(xì)節(jié)。終于，半導(dǎo)體制造業(yè)這場決定未來制程走向的關(guān)鍵一役——3nm技術(shù)之戰(zhàn)還是來了。

迄今為止，在3nm制程上，業(yè)內(nèi)只有兩家公司具有此競爭能力，一家是臺積電，另一家是三星。

其實在臺積電之前，三星早已公布了其3nm工藝細(xì)節(jié)，也一直在3nm上呈現(xiàn)領(lǐng)跑態(tài)勢。最近它剛剛宣布自己已經(jīng)成功研制出首款3nm工藝芯片的消息，采用的技術(shù)正是此前盛傳的GAAFET技術(shù)，并表示其在技術(shù)完成度上獲得了遠(yuǎn)超預(yù)期的表現(xiàn)。

可以說，從公布的消息來看，相較于臺積電，三星要靠譜的多。但有些出乎意料的是，三星方面的消息傳出來后，反響平平，似乎也沒有受到太多關(guān)注。

三星3nm計劃到底存在什么問題？

三星加碼代工，力推3nm量產(chǎn)

首先，我們來看它拿下3nm有多厲害？

如果三星能夠順利搶先將該工藝推向量產(chǎn)，延續(xù)摩爾定律不說，從現(xiàn)有的技術(shù)格局來看，它完全可以憑此一舉PK掉基于FinFET的3nm工藝，翻身搶斷臺積電現(xiàn)有的尖端工藝市場份額，并有機(jī)會成長為全球第一大晶圓代工廠。

因此，對三星和臺積電來說，3nm之爭更像是一場與時間的賽跑，看的是誰先量產(chǎn)。而三星可以說是已經(jīng)占了先機(jī)。

早在2018年，三星就公布了自己在3nm制程技術(shù)上的規(guī)劃，并表示將會搶占未來高性能計算和物聯(lián)網(wǎng)市場。

當(dāng)時三星給出了清晰的技術(shù)規(guī)劃，并且三星晶圓代工業(yè)務(wù)市場副總Ryan Sanghyun Lee也公開表示，三星從2002年以來一直在開發(fā)GAA技術(shù)。后來在去年年中舉辦的“2019三星代工論壇”上，三星電子更是直接將3nm工程設(shè)計套件發(fā)送給了現(xiàn)場的半導(dǎo)體設(shè)計企業(yè)。

圖 ｜ 三星晶圓代工業(yè)務(wù)市場副總Ryan Sanghyun Lee

可以說，正是因為對3nm保持著長期而巨大的投入，三星才能將成果推進(jìn)到今天的量產(chǎn)前夜。而正如當(dāng)時做成存儲的決心和毅力，三星在代工業(yè)務(wù)上的堅持其實有些超乎意料。

在2015－2016年期間，三星曾一度奪走了臺積電不少大客戶的訂單，實現(xiàn)了收入的大幅度增長。后來盡管因為智能手機(jī)衰退和臺積電先進(jìn)制程而導(dǎo)致銷售額下降，跌落到了全球第四的排名。但是三星仍然沒有絲毫放棄的勢頭，2018年初，在韓國首爾舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星方面就對外表示，目標(biāo)就是先超聯(lián)電和格芯，再超臺積電。

從最近2019年第四季度統(tǒng)計的排名我們可以看出來，三星延續(xù)了前三季度的優(yōu)勢，以市占率17．8％穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)卣紦?jù)了僅次于臺積電的第二位，而排在第三的格芯僅有8％。

有分析表示，這些年為了與臺積電在爭奪先進(jìn)制程工藝市場話語權(quán)方面，三星下足了功夫——投資、獨立代工業(yè)務(wù)、挖人等。而取得現(xiàn)在的成果，三星代工技術(shù)能力和客戶認(rèn)可度的提升功不可沒。

相比較來看，雖然在現(xiàn)有市場臺積電的地位難以撼動，但是在3nm技術(shù)上，僅僅有造廠的消息傳出，官方一直沒有對外透露更多，其3nm計劃看起來更“虛無縹緲”。

3nm GAA攻堅戰(zhàn)

因此回到三星3nm不受關(guān)注問題上，我們很難不去重新審視一下技術(shù)。

三星采用的是3nm GAA。

此前比利時微電子研究中心曾發(fā)表研究報告公開表示，環(huán)繞式閘極（GAA）電晶體將是未來最有可能突破7 納米技術(shù)以下FinFET工藝的“候選人”。

GAA晶體管在通道的所有側(cè)面都有一個柵極，用于克服FinFET的物理縮放比例和性能限制，包括電源電壓。與現(xiàn)在的FinFET Tri－Gate三柵極設(shè)計相比，GAA技術(shù)因為重新設(shè)計晶體管底層結(jié)構(gòu)，克服了當(dāng)前技術(shù)的物理、性能極限，增強(qiáng)柵極控制，性能大大提升。

在該技術(shù)方向下，主要有納米線、板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片、六角形截面納米線和納米環(huán)技術(shù)四大主流方向，三星采用的是MBCFET（Multi－Bridge Channel FET），即板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。

三星認(rèn)為主流的納米線GAA技術(shù)溝道寬度較小，因此往往只能用于低功率設(shè)計，并且制造難度比較高，因此沒有采用這種方案。

據(jù)三星介紹，它在其PDK設(shè)計中提供了四種不同的方案，可以在一顆芯片的不同部分使用，也可以直接用于制造整顆芯片。在性能方面，它與5納米制造工藝相比，3納米GAA技術(shù)的邏輯面積效率提高了35％以上，功耗降低了50％，性能提高了約30％，優(yōu)勢明顯。

其實關(guān)于GAA技術(shù)的研究，除了三星之外，英特爾、臺積電等廠商雖然沒有明確公布，但是對此也都有研究和積累。不過從目前的消息來看，三星3nm GAA工藝公布的信息最為詳盡。

不同于現(xiàn)有的7nm和5nm工藝，因為3nm節(jié)點將采用全新結(jié)構(gòu)的MOS管，對于半導(dǎo)體制程發(fā)展來說，它可以說有著里程碑式的意義，非常類似于當(dāng)時Intel用來推翻IBM領(lǐng)導(dǎo)地位的22nm。

此前，Semiengineering上有文章分析就表示，以目前技術(shù)條件來看，2nm可以被看做3nm做了微縮制程（die－shrink）處理。也就是說，3nm以下的制程之戰(zhàn)，3nm是關(guān)鍵節(jié)點。因此我們也能夠理解，為什么大家認(rèn)為三星3nm GAA一旦研發(fā)出來，它的市場影響力將是空前的。

但是作為行業(yè)龍頭，臺積電方面的2nm乃至1nm消息難免會給市場留下更多念想，這也在無形中削弱了3nm GAA的影響力，甚至有人認(rèn)為3nm將可以繼續(xù)采用FinFET，而所謂的關(guān)鍵節(jié)點將是2nm甚至1nm。

備受爭議的三星與技術(shù)

當(dāng)然不可否認(rèn)，三星這項計劃自身還存有隱患。

首先，技術(shù)是好的，但是如果投入商用，成本是不得不考慮的。嚴(yán)格來說，如果成本過高，技術(shù)胎死腹中也不是不可能。

根據(jù)IBS統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，3nm 器件的研發(fā)費用大約需要5億～15億美元；制程的研發(fā)費用需要40～50億美元；一個FAB的建設(shè)運轉(zhuǎn)需要150億～200億美元，上不封頂。從研發(fā)到商用的費用，包括后期要收回成本的考慮，這對頭部代工廠來說，都是一個“無底洞”，風(fēng)險極大。

其次，技術(shù)市場的動蕩之外，三星晶圓代工廠最近在市場中的受認(rèn)可度方面還是頗有爭議的。

自從三星拆分開晶圓代工部門后，因計算方式的改變，三星自家的Exynos手機(jī)芯片生產(chǎn)也算在晶圓代工營收當(dāng)中，因此三星代工廠的市占率從個位數(shù)大幅增長到十位數(shù)。而正是因數(shù)據(jù)維度有所改變，這讓業(yè)內(nèi)對其業(yè)績是否真的增長存疑，因此三星現(xiàn)在占據(jù)的第二位是否真的坐穩(wěn)也成為了大家沒有辦法弄清楚的“糊涂賬”。

十一月份，三星韓國器興（Giheung）廠，因為8英寸晶圓生產(chǎn)線采用了受到污染的設(shè)備，導(dǎo)致產(chǎn)品有缺陷。三星的一名高層后來承認(rèn)，稱損失估計達(dá)數(shù)十億韓元。

12月31日，韓國華城園區(qū)又傳出來停電時間，三星電子部分DRAM和NAND芯片生產(chǎn)線被迫中止，稱要兩三天左右才能完全恢復(fù)，損失也是慘重。

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接二連三，三星代工廠屢屢出事，這更是讓其在業(yè)內(nèi)的信譽受到損傷。

同時，目前來說，GAA還不是唯一的技術(shù)方向，臺積電提出的先進(jìn)封裝是推動制程發(fā)展的保守做法，而探索硅之外的新材料更是被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是從根本上改變現(xiàn)有制程工藝限制的方向，這其中包括采用InGaAs、鍺納米線等新材料的GAA晶體管。

而臺積電在5nm之后直接透露2nm工藝，更是有可能撼動市場現(xiàn)有普遍認(rèn)為的3nm關(guān)鍵節(jié)點的地位。

無疑，這些都讓三星在突破臺積電壟斷之路受阻。

加持新材料，3nm工藝還存在更多想象空間

據(jù)市場研究公司IC insights報道，從2017年至今，三星在半導(dǎo)體領(lǐng)域的資本支出估計為658億美元，比英特爾高了約53％，比中國所有半導(dǎo)體公司資本支出總和高出一倍以上。

而在晶圓代工方面，三星最近也宣布，今年第四季度的大部分投資將用于存儲領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施中，EUV 7nm產(chǎn)量將繼續(xù)增加，加強(qiáng)自身晶圓代工的競爭力。10月中旬的時候，還傳出了三星的一份意向書，表示要向ASML訂購15臺EUV設(shè)備，總價值180億元。

三星的決心由此可見。

但是隨著技術(shù)的變化和市場的發(fā)展，市場中未來制程工藝的變數(shù)也越來越大，因此三星3nm GAA也越來越難收到預(yù)想的克敵效果。臺積電就曾對外表示，在材料方面，III－V族材料也有可能會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅作為晶體管的通道材料以提升晶體管的速度。因為有研究表明，銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）與FinFET和GAAFET的集成在更小的節(jié)點處表現(xiàn)出優(yōu)異的性能；而鐵電等介電材料的引入可能會實現(xiàn)超陡的亞閾值坡度以降低晶體管的能耗；鈷也有可能會替代鎢和銅作互聯(lián)導(dǎo)線以增強(qiáng)穩(wěn)定性和減緩信號延遲。

目前，“新材料＋新制程工藝”兩條腿走路有望打破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸成為了主流的論調(diào)。從公布出來的信息來看，三星3nm GAA僅有制程上的進(jìn)步，與臺積電現(xiàn)在的布局相比，它缺失了材料方面的積累與探索。因此越遲發(fā)布，其先發(fā)的優(yōu)勢效應(yīng)也有可能越小。

作者：Lynn