半導(dǎo)體制程發(fā)展到28nm節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,就達(dá)到了芯片性能與成本的完美平衡。但是14nm、10nm、7nm、5nm,以及2022年就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的3nm制程,不斷刷新著業(yè)界對(duì)先進(jìn)制程技術(shù)的認(rèn)知。28nm之后的先進(jìn)制程技術(shù)迭代速度超過(guò)了之前所有制程節(jié)點(diǎn)的發(fā)展速度,實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的廠家越來(lái)越少,但是對(duì)其產(chǎn)品的要求越來(lái)越多。
以智能手機(jī)為代表的便攜式電子產(chǎn)品的快速迭代,對(duì)芯片的PPA提出了更高的要求,打破了性能與成本的平衡狀態(tài),為了得到更小尺寸,更高性能的芯片,成本已被一些產(chǎn)商放在了次要位置(前提是有巨量的芯片需求,從而可以攤薄單個(gè)芯片成本)。
1、28nm
在設(shè)計(jì)成本不斷上升的情況下,只有少數(shù)客戶能負(fù)擔(dān)得起轉(zhuǎn)向高級(jí)制程節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用。因此,就單位芯片成本而言,28nm優(yōu)勢(shì)明顯,可以保持較長(zhǎng)生命周期。一方面,相較于40nm及更落后制程,28nm工藝在頻率調(diào)節(jié)、功耗控制、散熱管理和尺寸壓縮方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。另一方面,由于20nm及更先進(jìn)制程采用FinFET技術(shù),維持高參數(shù)良率以及低缺陷密度難度加大,每個(gè)邏輯閘的成本都要高于28nm制程。
雖然高端市場(chǎng)會(huì)被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據(jù),但40nm、28nm等并不會(huì)退出。如28nm和16nm工藝現(xiàn)在仍然是臺(tái)積電的營(yíng)收主力,中芯國(guó)際則在持續(xù)提高28nm良率。
目前,業(yè)內(nèi)的28nm制程主要在臺(tái)積電,GF(格芯),聯(lián)電,三星和中芯國(guó)際這5家之間競(jìng)爭(zhēng)。
臺(tái)積電的28nm制程在2011年投入量產(chǎn)后,營(yíng)收占比只用了一年時(shí)間就從2%爬升到了22%,迅速擴(kuò)張的先進(jìn)產(chǎn)能幫助臺(tái)積電在每一個(gè)先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)都能搶占客戶資源、擴(kuò)大先發(fā)優(yōu)勢(shì),并使其產(chǎn)能結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,用更高的產(chǎn)品附加值帶來(lái)了更高的毛利率。
對(duì)于重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝的聯(lián)電來(lái)說(shuō),28nm是其重點(diǎn)業(yè)務(wù)版塊,為此,該公司還放棄了14nm以下先進(jìn)制程的研發(fā)工作。
作為中國(guó)大陸第一家制程工藝達(dá)到28nm,且同時(shí)提供28納米PolySiON、28納米HKMG工藝的晶圓代工企業(yè),中芯國(guó)際在國(guó)內(nèi)有多個(gè)工廠,而其28nm制程產(chǎn)品主要在位于北京的兩座中芯北方工廠生產(chǎn)。
另外,近幾年,SOI工藝快速崛起,這在很大程度上得益于格芯的大力推動(dòng)。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為,對(duì)于SOI工藝來(lái)說(shuō),28nm制程更具優(yōu)勢(shì),可以撐很久,而且當(dāng)工藝再往前演進(jìn)時(shí),SOI會(huì)越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)。28nm算是一個(gè)分界點(diǎn)。到了這個(gè)節(jié)點(diǎn),工藝可以很輕松的轉(zhuǎn)換到SOI,而且目前有越來(lái)越多的EDA工具支持這種轉(zhuǎn)變。
2、14nm
具有或即將具有14nm制程產(chǎn)能的廠商主要有7家,分別是:英特爾(INTC.US)、臺(tái)積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國(guó)際(00981)和華虹(01347)。
目前來(lái)看,14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機(jī)ASIC、FPGA、汽車(chē)半導(dǎo)體等制造。對(duì)于各廠商而言,該制程也是收入的主要來(lái)源,特別是英特爾,14nm是其目前的主要制程工藝,以該公司的體量而言,其帶來(lái)的收入可想而知。而對(duì)于中國(guó)大陸本土的晶圓代工廠來(lái)說(shuō),特別是中芯國(guó)際,14nm制程技術(shù)已經(jīng)在今年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這樣,在兩三年后,隨著新產(chǎn)能的成熟,14nm制程的市場(chǎng)格局值得期待。
自2015年正式推出14nm制程后,英特爾已經(jīng)對(duì)其依賴(lài)了4年的時(shí)間,該制程也為這家半導(dǎo)體巨頭帶來(lái)了非??捎^的收入。從Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+)、Coffee Lake(14nm++),到2018年推出的14nm+++,該公司一直在保持對(duì)14nm制程的更新。而英特爾原計(jì)劃在2016年推出10nm,但經(jīng)歷了多次延遲,2019年才姍姍來(lái)遲,從這里也可以看出該公司對(duì)14nm制程的倚重程度。
臺(tái)積電(TSM.US)于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比,盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同,三星和英特爾是14nm,臺(tái)積電是16nm,但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代。
目前,16nm制程依然是臺(tái)積電營(yíng)收的主力軍,貢獻(xiàn)率約為25%。
14nm是格芯最先進(jìn)的主流制程工藝,位于美國(guó)紐約州馬耳他,這里除了14nm,還有28nm的,最大產(chǎn)能為6萬(wàn)片晶圓/月,主要采用12英寸晶圓。主要用于代工高端處理器。目前來(lái)看,14nm產(chǎn)能占其總營(yíng)收的比例較小。
聯(lián)電方面,該公司位于臺(tái)南的Fab 12A于2002年進(jìn)入量產(chǎn),目前已運(yùn)用14nm制程為客戶代工產(chǎn)品。然而,聯(lián)電的14nm制程占比只有3%左右,并不是其主力產(chǎn)線。這與該公司的發(fā)展策略直接相關(guān),聯(lián)電重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝。
3、12nm
中國(guó)大陸手機(jī)市場(chǎng)龐大,且中端和中低端占據(jù)著出貨量的大頭兒,這就給了中端手機(jī)處理器芯片絕佳的發(fā)展機(jī)會(huì),相應(yīng)的12nm制程技術(shù)的市場(chǎng)份額也就水漲船高了。
從目前的晶圓代工市場(chǎng)來(lái)看,具備12nm制程技術(shù)能力的廠商也不多,主要有臺(tái)積電、格芯、三星電子和聯(lián)電。聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進(jìn)制程工藝的研發(fā)。因此,目前來(lái)看,全球晶圓代工市場(chǎng),12nm的主要玩家就是臺(tái)積電、格芯和三星這三家,這一點(diǎn),從近兩年市場(chǎng)推出的各種芯片也可見(jiàn)一斑。
2018年8月,華為發(fā)布了中端芯片麒麟710,采用的就是12nm制程,用在了當(dāng)時(shí)的中端機(jī)型、在海外被稱(chēng)為Mate 20 Lite上。
聯(lián)發(fā)科則是12nm芯片的主力軍,代表產(chǎn)品多是中端芯片,具體包括:Helio P22,采用臺(tái)積電12nm FinFET工藝制造;Helio P60;Helio A 系列產(chǎn)品,該公司稱(chēng)其把高端產(chǎn)品功能下放到了用戶基數(shù)龐大的大眾市場(chǎng)。該系列的首款產(chǎn)品為Helio A22。
在中國(guó)大陸,紫光展銳最近幾年在中端和中低端市場(chǎng)的拓展力度也很大,并逐步擴(kuò)大著市場(chǎng)占有率,而在即將到來(lái)的5G市場(chǎng),該公司推出了春藤510,采用了臺(tái)積電12nm制程工藝。
除了手機(jī)處理器之外,AMD的顯卡RX 590也采用了12nm制程代工生產(chǎn),而這款產(chǎn)品的代工廠為格芯和三星兩家。由于AMD與格芯的深厚關(guān)系,其很多芯片都是由格芯代工的,但隨著格芯宣布退出10nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)和投入,使得AMD不得不將先進(jìn)產(chǎn)品分給了三星和臺(tái)積電代工,從而分散了格芯的訂單。
4、10nm
到目前為止,有公開(kāi)的10nm規(guī)劃,且已經(jīng)或即將量產(chǎn)該工藝節(jié)點(diǎn)芯片的廠商,只有臺(tái)積電、三星和英特爾這三家。此外,中芯國(guó)際很可能也在進(jìn)行著10nm、7nm制程的研發(fā)工作,但具體情況還未公開(kāi)。
臺(tái)積電早在2013年就開(kāi)始了10nm工藝的研發(fā)。而按照早期規(guī)劃,臺(tái)積電的計(jì)劃是 2016 年第四季度量產(chǎn)10nm工藝。而實(shí)際量產(chǎn)時(shí)間與其規(guī)劃基本吻合,2017年初實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),標(biāo)志性應(yīng)用就是蘋(píng)果的A11處理器,這給臺(tái)積電帶來(lái)了巨大的收益。
不過(guò),量產(chǎn)后,臺(tái)積電10nm營(yíng)收的比例基本持平,且相對(duì)份額不高,28nm和16nm一直是該公司收入的主要來(lái)源。
英特爾也早就開(kāi)始了10nm的研發(fā),原計(jì)劃是在2016年量產(chǎn),當(dāng)時(shí),EUV還不成熟,因此,英特爾選擇了多重四圖案曝光(SAQP)技術(shù),但研發(fā)過(guò)程中遭遇困難,導(dǎo)致10nm量產(chǎn)時(shí)間一再推遲。而從當(dāng)時(shí)的情況來(lái)看,采用SAQP技術(shù)造成良率較低可能是遲遲無(wú)法規(guī)模量產(chǎn)的主要原因。
在那之后,英特爾一直未對(duì)外公布10nm量產(chǎn)進(jìn)度,2017年初,時(shí)任英特爾CEO科再奇在美國(guó)CES展會(huì)前,宣布首顆10nm處理器Cannon Lake就緒,將迎戰(zhàn)臺(tái)積電和三星。然而,沒(méi)過(guò)多久,英特爾官方對(duì)外發(fā)布了繼承當(dāng)年主打的第七代核心處理器Kaby Lake的第八代Core處理器細(xì)節(jié),表示仍將采用14nm制程生產(chǎn),10nm量產(chǎn)時(shí)間又被延遲了。經(jīng)過(guò)多年的周折和延遲,英特爾的10nm終于在2019年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
2015年7月,三星電子旗下的制造部門(mén)Samsung Foundry的Kelvin Low 在網(wǎng)上發(fā)布了一段視頻,確認(rèn)三星已經(jīng)將 10nm FinFET 工藝正式加入路線圖。
2017年,幾乎與臺(tái)積電同步量產(chǎn)10nm制程后,三星將大部分的高通驍龍?zhí)幚砥饔唵问罩流庀?。不過(guò),為了趕上臺(tái)積電7nm制程量產(chǎn)的步伐,三星在10nm上花費(fèi)的精力和時(shí)間也比較有限,2019年,三星的7nm制程收到了高通驍龍765的訂單。而與臺(tái)積電相似,將規(guī)劃的重點(diǎn)放在了未來(lái)的5nm和3nm上,10nm也是曇花一現(xiàn)。
5、7nm
目前,能夠量產(chǎn)7nm芯片的只有臺(tái)積電和三星這兩家。
臺(tái)積電方面,7nm在2017年底就有試產(chǎn),2018年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn),大規(guī)模量產(chǎn)是在2019年,在2019年第二季開(kāi)始量產(chǎn)N7+(EUV的),與N7相比,N7+的邏輯密度比N7提高15%至20%,同時(shí)降低了功耗。
臺(tái)積電7nm工藝量產(chǎn)后,2019年有100多個(gè)芯片陸續(xù)流片,包括CPU、GPU、AI、加密貨幣芯片、網(wǎng)絡(luò)通信、5G、自動(dòng)駕駛等芯片。客戶包括蘋(píng)果、華為海思、聯(lián)發(fā)科、高通、英偉達(dá)、AMD、賽靈思、比特大陸等。蘋(píng)果的A13處理器、海思的5G基站芯片,以及AMD的GPU、CPU和服務(wù)器芯片都集中在2019下半年出貨,且都在爭(zhēng)取臺(tái)積電7nm產(chǎn)能,使其相關(guān)產(chǎn)線處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),交貨時(shí)間從原本的2個(gè)月拉長(zhǎng)到半年,客戶一直在排隊(duì)搶產(chǎn)能。
目前來(lái)看,臺(tái)積電的7nm產(chǎn)能依然很搶手。據(jù)悉,今年下半年,臺(tái)積電的7nm產(chǎn)能將增至每月14萬(wàn)片。這其中,AMD占據(jù)著不小的份額,由于該公司最近兩年快速崛起,其在臺(tái)積電的訂單量也大增,據(jù)悉,今年,AMD的7nm訂單將增加一倍,每月需要3萬(wàn)片晶圓的產(chǎn)能,占臺(tái)積電7nm晶圓總產(chǎn)能的21%。此外,高通占臺(tái)積電7nm產(chǎn)能的比例在18%左右,聯(lián)發(fā)科將占14%。
與臺(tái)積電相比,三星7nm的產(chǎn)能利用率則遜色了很多,在量產(chǎn)初期,是以10K左右的少量量產(chǎn)開(kāi)始的,隨著客戶下單量增加,持續(xù)提升產(chǎn)能。
初期,除了三星自家之外,三星7nm EUV的客戶只有IBM,雙方曾對(duì)外表示將合作開(kāi)發(fā)下一代高性能Power處理器。另外兩個(gè)大客戶是英偉達(dá)和高通。
今年2月,三星宣布,在韓國(guó)華城工業(yè)園新開(kāi)一條專(zhuān)司EUV技術(shù)的晶圓代工產(chǎn)線V1,主要用于量產(chǎn)7nm。目前,V1已經(jīng)投入7nm和6nm EUV移動(dòng)芯片的生產(chǎn)工作,未來(lái)可代工到最高3nm水平。根據(jù)三星規(guī)劃,到2020年底,V1產(chǎn)線的總投入將達(dá)60億美元,7nm及更先進(jìn)制程的總產(chǎn)能將是2019年的3倍。
6、6nm
6nm是7nm與5nm之間的過(guò)渡制程工藝。
臺(tái)積電于2019年4月推出了6nm制程(N6),設(shè)計(jì)方法與7nm工藝完全兼容,隨著EUV技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用,N6的邏輯密度將比N7提高18%。根據(jù)規(guī)劃,臺(tái)積電的6nm制程于2020年第一季度試產(chǎn),并于年底前進(jìn)入量產(chǎn)。
三星方面,該公司于2019 年初宣布第一個(gè)基于EUV技術(shù)的6nm客戶開(kāi)始流片。此外,三星原計(jì)劃在2020年推出6nm LPE版本。三星6nm在7nm EUV基礎(chǔ)上,運(yùn)用其Smart Scaling技術(shù),縮小芯片面積并降低了功耗。
7、5nm
目前,只有臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了5nm制程的量產(chǎn)。因此,臺(tái)積電的5nm繼其7nm之后,又成為了業(yè)界的香餑餑,產(chǎn)能供不應(yīng)求。
首先,蘋(píng)果A14處理器和華為海思新款5G規(guī)格Kirin手機(jī)芯片是臺(tái)積電5nm工藝的首批兩大客戶,此外,高通5G芯片X60及新一代驍龍875手機(jī)芯片,也將采用5nm。供應(yīng)鏈人士稱(chēng),今年,蘋(píng)果包下了臺(tái)積電三分之二的5nm產(chǎn)能。
此外,業(yè)界大紅大紫的AMD也在爭(zhēng)取臺(tái)積電的5nm訂單,估計(jì)明年會(huì)出貨。至于聯(lián)發(fā)科、英偉達(dá)、賽靈思、比特大陸等重要客戶,也都在后邊排隊(duì)等候臺(tái)積電的5nm產(chǎn)能。在這種情況下,臺(tái)積電計(jì)劃將5nm月產(chǎn)能由原本的5萬(wàn)片提升至8萬(wàn)片。
三星也在加碼研發(fā)5nm工藝,三星此前透露的信息顯示,5nm LPE(5nm Low Power Early)工藝原計(jì)劃今年上半年投入量產(chǎn),但從目前的情況來(lái)看,量產(chǎn)要等到2021年了。主要客戶是高通。
8、3nm
臺(tái)積電的3nm預(yù)計(jì)于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),到時(shí)候,首批大客戶很可能還是蘋(píng)果。另外,有消息稱(chēng)英特爾最新的GPU也可能會(huì)交由臺(tái)積電的3nm產(chǎn)線生產(chǎn)。
而三星有希望超越臺(tái)積電的制程可能是3nm,因?yàn)槿鞘堑谝患夜傩褂萌翯AA晶體管的,在3nm節(jié)點(diǎn)將會(huì)用GAA環(huán)繞柵極晶體管取代FinFET晶體管,而臺(tái)積電依然會(huì)使用FinFET技術(shù)。三星希望2021年量產(chǎn)3nm工藝,而今年上半年完成3nm工藝開(kāi)發(fā)。