最近，臺(tái)積電終于公開承認(rèn)了自己的3nm計(jì)劃。最終，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。
3nm成為競爭關(guān)鍵點(diǎn)
三星的5nm工藝將作為其7nm LPP的改良面向市場推出，而3nm工藝才被三星視為是能夠超越臺(tái)積電的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)中，三星將采用GAA MCFET（多橋通道FET）工藝。為什么三星會(huì)將賭注押在3nm節(jié)點(diǎn)上？
從三星和臺(tái)積電在過去三年的競爭中看，當(dāng)年三星將其代工業(yè)務(wù)獨(dú)立出來之時(shí)，也正值先進(jìn)工藝即將進(jìn)入10nm工藝階段。彼時(shí)，兩者均推出了10nm工藝的產(chǎn)品。但當(dāng)年三星10nm大客戶僅有高通，不敵臺(tái)積電。
此后三星又在10nm上推出三種不同的改進(jìn)工藝，以試圖搶奪更多的訂單。而臺(tái)積電則在推出10nm以后，轉(zhuǎn)向了更具優(yōu)勢的7nm工藝。7nm對于半導(dǎo)體制造工藝來說是非常重要的里程碑。2018年臺(tái)積電宣布其7nm開始量產(chǎn)，三星則是選擇在7nm上使用EUV。同年，三星7nm EUV也宣布了量產(chǎn)計(jì)劃，但因其7nm EUV工藝技術(shù)不夠成熟，因而未能得到市場的認(rèn)可。在此期間，華為海思、高通、英特爾和聯(lián)發(fā)科等企業(yè)紛紛投入到臺(tái)積電的懷抱。三星錯(cuò)失了搶奪7nm訂單的最佳時(shí)期。
但根據(jù)市場情況來看，7nm在如今的市場中仍然保持著活力，三星7nm EUV技術(shù)也在去年得到了改善。于是，三星憑借低價(jià)搶奪了原在臺(tái)積電手中的英偉達(dá)的訂單。此外，三星還從臺(tái)積電手中搶走了IBM Power系列處理器的訂單。但這并不足以支撐三星在7nm上超越臺(tái)積電。所以，三星只能放眼下一代先進(jìn)制程。
雙雄劍指3nm
三星已成功研發(fā)出首個(gè)基于GAAFET的3nm制程，預(yù)計(jì)2022年開啟量產(chǎn)。與7nm工藝相比，3nm工藝可將核心面積減少45％，功耗降低50％，性能提升35％。
按照三星的研發(fā)路線圖，在6nm LPP之后，還有5nm LPE、4nm LPE兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，隨后進(jìn)入3nm節(jié)點(diǎn)，分為GAE（GAA Early）以及GAP（GAA Plus）兩代。去年5月，三星的3nm GAE設(shè)計(jì)套件0．1版本已經(jīng)就緒，以幫助客戶盡早啟動(dòng)3nm設(shè)計(jì)。三星預(yù)計(jì)該技術(shù)將在下一代手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛、人工智能及物聯(lián)網(wǎng)等設(shè)備中使用。
以2022年量產(chǎn)為目標(biāo)的臺(tái)積電，也在按計(jì)劃推進(jìn)3nm研發(fā)。臺(tái)積電相關(guān)人士表示，臺(tái)積電在3nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)開發(fā)進(jìn)展順利，已經(jīng)與早期客戶進(jìn)行接觸。臺(tái)積電投資6000億新臺(tái)幣（約合1380億元）的3nm寶山廠也于去年通過了用地申請，預(yù)計(jì)2020年動(dòng)工，2022年量產(chǎn)。
臺(tái)積電在7nm節(jié)點(diǎn)取得了絕對優(yōu)勢，在5nm也進(jìn)展順利，獲得了蘋果A14等訂單。但三星并沒有放松追趕的腳步，計(jì)劃到2030年前在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)投資1160億美元（約合8000億元），以增強(qiáng)在非內(nèi)存芯片市場的實(shí)力。臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀日前對媒體表示，臺(tái)積電與三星的戰(zhàn)爭還沒有結(jié)束，臺(tái)積電只是贏得了一兩場戰(zhàn)役，可整個(gè)戰(zhàn)爭還沒有贏，目前臺(tái)積電暫時(shí)占優(yōu)。
世界上最燒錢長跑：芯片制程進(jìn)階之路
什么是芯片制程？制程用來描述芯片晶體管柵極寬度的大小，納米數(shù)字越小，說明晶體管密度越大，芯片性能就越高。
例如，臺(tái)積電7nm芯片的典型代表蘋果A13、高通驍龍865和華為麒麟990，每平方毫米約有1億個(gè)晶體管。隨后臺(tái)積電5nm、3nm芯片進(jìn)一步將每平方毫米的晶體管數(shù)量進(jìn)一步提升至1．713億個(gè)、2．5億個(gè)。
伴隨著制程的進(jìn)化，5nm比7nm芯片性能提升15％，功耗降低30％；3nm又比5nm芯片性能提升10－15％，功耗降低25－30％。
由于各家對制程工藝的命名法則不同，相同納米制程下，并不能對各廠商的制程技術(shù)進(jìn)展做直觀比較。比如英特爾10nm的晶體管密度與臺(tái)積電7nm、三星7nm的晶體管密度相當(dāng)。
從制程最新進(jìn)展來看，一邊是臺(tái)積電三星在5nm／3nm等先進(jìn)制程上你追我趕，另一邊英特爾則韜光養(yǎng)晦循序漸進(jìn)地走向7nm。
5nm方面，臺(tái)積電已經(jīng)拿到蘋果和華為的旗艦手機(jī)芯片訂單，下半年開啟量產(chǎn)，有望在其2020年?duì)I收占比達(dá)10％。
三星在5nm制程則相對落后，目前正加速韓國華城5nm生產(chǎn)工廠V1的建設(shè)，預(yù)計(jì)6月底前完成生產(chǎn)線建設(shè)，今年年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
據(jù)外媒報(bào)道，三星與谷歌正合作開發(fā)采用三星5nm LPE工藝的定制Exynos芯片組，將搭載于谷歌的Pixel智能手機(jī)、Chrome OS設(shè)備甚至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中。
3nm方面，臺(tái)積電3nm制程預(yù)計(jì)2021年開始試生產(chǎn)，并于2022年下半年開始量產(chǎn)。三星原計(jì)劃2021年大規(guī)模量產(chǎn)3nm工藝，但受當(dāng)前疫情影響，不確定量產(chǎn)時(shí)間是否會(huì)推遲。
為什么挺進(jìn)先進(jìn)制程的玩家屈指可數(shù)呢？主要源于兩大門檻：資本和技術(shù)。
制程工藝的研發(fā)和生產(chǎn)成本逐代上漲。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，3nm芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用約達(dá)5－15億美元，興建一條3nm產(chǎn)線的成本約為150－200億美元。
兩年前臺(tái)積電為3nm工藝計(jì)劃投資6000億新臺(tái)幣，折合近200億美元。單是從資金數(shù)目來看，很多中小型晶圓廠就玩不起。
更高的研發(fā)和生產(chǎn)成本，對應(yīng)的是更難的技術(shù)挑戰(zhàn)。
每當(dāng)制程工藝逼近物理極限，晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、沉積、刻蝕、檢測、封裝等技術(shù)的創(chuàng)新與協(xié)同配合，對芯片性能天花板的突破起到?jīng)Q定性作用。