正如之前外界傳聞的那樣，三星電子今天正式對(duì)外宣布，其已開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)基于3nm GAA（Gate-all-around，環(huán)繞柵極）制程工藝技術(shù)的芯片，這也使得三星搶先臺(tái)積電成為了全球首家量產(chǎn)3nm的晶圓代工企業(yè)。

　　三星量產(chǎn)3nm GAA制程，上海磐矽為首批客戶(hù)

　　2021年6月，三星就率先宣布其基于GAA技術(shù)的3nm制程成已成功流片（Tape Out）。隨后在2021年10月的“Samsung Foundry Forum 2021”活動(dòng)上，三星宣布將在2022年上半年搶先臺(tái)積電量產(chǎn)3nm GAA制程工藝。

　　對(duì)于在3nm量產(chǎn)上超越臺(tái)積電，三星方面也是信心滿(mǎn)滿(mǎn)。三星Device Solution事業(yè)部技術(shù)負(fù)責(zé)人Jeong Eun-seung去年就曾表示，“三星2017年才成立晶圓代工事業(yè)部，但憑借公司在存儲(chǔ)制造方面的專(zhuān)長(zhǎng)，超越臺(tái)積電指日可待?！彼€舉例指出，三星曾領(lǐng)先臺(tái)積電開(kāi)量產(chǎn)采用FinFET技術(shù)的14nm工藝。

　　雖然之前業(yè)界有很多關(guān)于三星3nm良率過(guò)低而導(dǎo)致量產(chǎn)遇阻的傳聞（今年年初有爆料稱(chēng)，三星3nm GAA制程的良率僅10%~20%），但是三星仍然是在2022年上半年的最后一天（6月30日）正式宣布成功量產(chǎn)3nm GAA工藝，以?xún)冬F(xiàn)其之前的承諾。

　　根據(jù)三星官方公布的聲明顯示，基于其第一代的3nm GAA工藝的芯片與傳統(tǒng)的5nm工藝芯片相比，功耗降低了45%，性能提高了23%，面積可減少16%。

　　不過(guò)，以上公布的數(shù)據(jù)與三星之前透露的數(shù)據(jù)（性能將提升30%，能耗降可低50%，邏輯面積效率提升超過(guò)45%）有一定程度的縮水。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，除了搶先量產(chǎn)3nm制程工藝之外，三星也是全球第一個(gè)成功將GAA技術(shù)應(yīng)用到量產(chǎn)的3nm芯片當(dāng)中的晶圓代工廠(chǎng)商，雖然臺(tái)積電將會(huì)在今年下半年量產(chǎn)3nm工藝，但是其依然是基于FinFET晶體管架構(gòu)，臺(tái)積電將會(huì)在2nm制程工藝上才會(huì)采用GAA技術(shù)，量產(chǎn)時(shí)間則將會(huì)是在2025年。

　　三星晶圓代工業(yè)務(wù)主管Siyoung Choi表示：“公司將繼續(xù)在有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面積極創(chuàng)新?！?/p>

　　中國(guó)礦機(jī)芯片廠(chǎng)商上海磐矽或?yàn)槭着蛻?hù)

　　雖然三星并未公布其3nm GAA制程的客戶(hù)名單，但是根據(jù)爆料顯示，三星電子自身以及一家來(lái)自中國(guó)大陸的礦機(jī)芯片廠(chǎng)商——上海磐矽半導(dǎo)體技術(shù)有限公司將會(huì)是首批客戶(hù)。另外，三星的大客戶(hù)高通可能也下單生產(chǎn)3nm芯片，但會(huì)視情況投片。

　　資料顯示，上海磐矽半導(dǎo)體技術(shù)有限公司成立于2016年3月，注冊(cè)資本4500萬(wàn)元人民幣，總部位于上海，是一家設(shè)計(jì)能力為28nm、16nm和10nm ASIC的高科技初創(chuàng)公司，專(zhuān)注于數(shù)字加密貨幣和Al應(yīng)用的ASIC設(shè)計(jì)。

　　三星聯(lián)合首席執(zhí)行官 Kyung Kye-hyun 今年早些時(shí)候曾表示，其代工業(yè)務(wù)將在中國(guó)尋找新客戶(hù)，預(yù)計(jì)中國(guó)市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)，因?yàn)閺钠?chē)制造商到家電產(chǎn)品制造商等公司都爭(zhēng)相確保產(chǎn)能以解決持續(xù)的全球芯片短缺問(wèn)題。

　　是“真量產(chǎn)”，還是“真宣傳”？

　　雖然三星搶先臺(tái)積電量產(chǎn)了3nm GAA制程工藝，但是其為了兌現(xiàn)今年上半年量產(chǎn)承諾，在上半年的最后一天6月30日才宣布量產(chǎn)，也讓一些分析人士認(rèn)為，其3nm GAA制程工藝量產(chǎn)是“趕鴨子上架”，宣傳意義大于實(shí)際意義。

　　比如臺(tái)灣工研院產(chǎn)科國(guó)際所研究總監(jiān)楊瑞臨就表示，GAA相關(guān)的蝕刻及量測(cè)問(wèn)題尚待克服，材料、化學(xué)品等也需要提升，全球GAA生態(tài)系統(tǒng)還未完全到位，三星3nm GAA技術(shù)此時(shí)量產(chǎn)是“趕鴨子上架”。

　　ASML的新一代High-NA EUV光刻機(jī)預(yù)計(jì)最快也要2023年底才正式向客戶(hù)交付。臺(tái)積電和英特爾都選擇采用High-NA EUV光刻機(jī)來(lái)生產(chǎn)基于GGA架構(gòu)晶體管的2nm工藝。

　　楊瑞臨稱(chēng)，雖然三星采用市場(chǎng)現(xiàn)有方案，可以做到3nm GAA技術(shù)量產(chǎn)，但關(guān)鍵是成本會(huì)增加、交期會(huì)拉長(zhǎng)、良率提升速度慢、品質(zhì)不見(jiàn)得好。在成本模型難以建立的情況下，三星難以對(duì)客戶(hù)報(bào)價(jià)，預(yù)料三星的3nm GAA技術(shù)應(yīng)僅自用，不會(huì)有真正的外部的客戶(hù)。

　　臺(tái)經(jīng)院產(chǎn)經(jīng)資料庫(kù)研究員暨總監(jiān)劉佩真也表示，三星仍未實(shí)際接獲3nm訂單，今天宣布量產(chǎn)3奈米制程，宣傳意義應(yīng)大于實(shí)質(zhì)意義。

　　而在此之前，在相同制程工藝節(jié)點(diǎn)上，三星的制程工藝在穩(wěn)定性、良率、發(fā)熱等方面的表現(xiàn)確實(shí)一直都要比臺(tái)積電差。此前高通就因?yàn)槿?nm代工的驍龍8的散熱問(wèn)題，轉(zhuǎn)向了采用臺(tái)積電4nm代工驍龍8＋。

　　不過(guò)，臺(tái)灣相關(guān)機(jī)構(gòu)的立場(chǎng)和觀點(diǎn)往往都會(huì)偏向本土的臺(tái)積電，看衰三星3nm GAA也屬正常。

　　同樣，韓國(guó)半導(dǎo)體分析師的觀點(diǎn)也往往是看好本土的三星。此前，韓國(guó)半導(dǎo)體分析師Greg Roh就表示三星3nm制程良率提升速度遠(yuǎn)高于市場(chǎng)預(yù)期，新增客戶(hù)速度相當(dāng)快。

　　GAA架構(gòu)晶體管到底有何優(yōu)勢(shì)？

　　傳統(tǒng)的平面晶體管（Planar FET）通過(guò)降低電壓來(lái)節(jié)省功耗，然而，平面晶體管的短溝道效應(yīng)限制了電壓的繼續(xù)降低，而FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的出現(xiàn)使得電壓得以再次降低，但隨著工藝的繼續(xù)推進(jìn)，F(xiàn)inFET已經(jīng)不足以滿(mǎn)足需求。于是，GAA（Gate-all-around，環(huán)繞柵極）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　如下圖，典型的GAA形式——GAAFET是（Gate-all-around FETs）采用的是納米線(xiàn)溝道設(shè)計(jì)，溝道整個(gè)外輪廓都被柵極完全包裹，代表柵極對(duì)溝道的控制性更好。相比之下，傳統(tǒng)的FinFET 溝道僅3 面被柵極包圍。GAAFET 架構(gòu)的晶體管提供比FinFET 更好的靜電特性，可滿(mǎn)足某些柵極寬度的需求。這主要表現(xiàn)在同等尺寸結(jié)構(gòu)下，GAA 的溝道控制能力強(qiáng)化，尺寸可以進(jìn)一步微縮。

　　不過(guò)，三星認(rèn)為采用納米線(xiàn)溝道設(shè)計(jì)不僅復(fù)雜，且付出的成本可能也大于收益。因此，三星設(shè)計(jì)了一種全新的GAA形式——MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)管），采用多層堆疊的納米片來(lái)替代GAAFET中的納米線(xiàn)。這種納米片設(shè)計(jì)已被研究機(jī)構(gòu)IMEC當(dāng)作FinFET 架構(gòu)后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)行大量研究，并由IBM 與三星和格羅方德合作發(fā)展。

　　三星表示，MBCFET可以在保留所有GAAFET優(yōu)點(diǎn)的情況下，最小化復(fù)雜度。同時(shí)，MBCFET的設(shè)計(jì)可以兼容之前的FinFET技術(shù)，可以直接將為FinFET的設(shè)計(jì)遷移到MBCFET上，在不提升面積的情況下，提升性能。

　　此外，在制造環(huán)節(jié)，此技術(shù)也具高度可制造性，因?yàn)槠淅眉s90% FinFET 制造技術(shù)與設(shè)備，只需少量修改的光罩即可。

　　三星在去年就曾對(duì)外表示，MBCFET出色的柵極可控性，比三星原本FinFET 技術(shù)高出了31%，且納米片通道寬度可直接圖像化改變，設(shè)計(jì)更有靈活性。

　　三星的3nm GAA（MBCFET）工藝分為3GAAE （3nm Gate- AlI-Around Early）和3GAAP（3nm Gate- AlI-Around Plus）兩個(gè)階段。目前量產(chǎn)的正是3GAAE。

　　需要指出的是，三星基于GAA技術(shù)的3nm制程不同于臺(tái)積電FinFET架構(gòu)的3nm制程，所以三星要成功量產(chǎn)3nm GAA制程工藝，也需要新的設(shè)計(jì)和認(rèn)證工具。

　　據(jù)了解，三星3nm GAA制程工藝采用了新思科技的Fusion Design Platform平臺(tái)，來(lái)為其GAA 架構(gòu)的生產(chǎn)流程提供高度優(yōu)化參考方法。針對(duì)三星3nm GAA制程技術(shù)的物理設(shè)計(jì)套件（PDK）早在2019 年5 月就已發(fā)布，并在2020年通過(guò)了制程技術(shù)認(rèn)證。

　　新思科技數(shù)字設(shè)計(jì)部總經(jīng)理Shankar Krishnamoorthy當(dāng)時(shí)曾表示，GAA 晶體管結(jié)構(gòu)象征著制程技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換點(diǎn)，對(duì)保持下一波超大規(guī)模創(chuàng)新所需的策略至關(guān)重要。新思科技與三星戰(zhàn)略合作支持提供一流技術(shù)和解決方案，確保發(fā)展趨勢(shì)延續(xù)，以及為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供機(jī)會(huì)。

　　臺(tái)積電與英特爾將在2nm引入GAA技術(shù)

　　一直以來(lái)，為了追趕臺(tái)積電，三星在先進(jìn)制程的推進(jìn)上一直都比較激進(jìn)。相比之下，作為業(yè)界龍頭的臺(tái)積電則一直比較穩(wěn)健。

　　臺(tái)積電在3nm制程工藝上并沒(méi)有選擇GAA架構(gòu)的晶體管，而是依然采用FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），因?yàn)檫@將會(huì)為臺(tái)積電帶來(lái)更好的穩(wěn)定性，即可以復(fù)用之前成熟穩(wěn)定的技術(shù)，同時(shí)成本可能也能夠得到更好的控制。并且給臺(tái)積電預(yù)留更多的對(duì)GAA晶體管架構(gòu)優(yōu)化的時(shí)間。

　　根據(jù)臺(tái)積電此前2022年臺(tái)積電技術(shù)論壇上公布的數(shù)據(jù)顯示，其即將量產(chǎn)的依然采用FinFET晶體管架構(gòu)的N3E（3nm的低成本版）制程工藝，相比前代的5mm制程工藝，性能將提升18%，功耗可降低34%，晶體管密度可提升30%。

　　從這個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)看，三星3nm GAA制程工藝的與其前代5nm制程工藝相比所帶來(lái)的性能提升幅度和功耗降低的幅度都要比臺(tái)積電（3nm VS. 5nm）更高。

　　而且，需要指出的是，三星3nm GAA制程工藝的晶體管密度只比其前代5nm制程工藝的晶體管密度僅提升了16%（面積可減少16%）。而臺(tái)積電3nm的晶體管密度相比其5nm則是提升了30%。也就是說(shuō)三星3nm GAA制程工藝依靠更少的晶體管密度的提升，達(dá)到了更好的性能提升和功耗降低的幅度，顯然，這與全新的GAA架構(gòu)所帶來(lái)的提升直接相關(guān)。

　　我們從臺(tái)積電公布的其2nm GAA制程工藝與其3nm的對(duì)比數(shù)據(jù)，也同樣能夠看到GAA晶體管架構(gòu)所帶來(lái)的直接提升。

　　臺(tái)積電第一代采用納米片晶體管（Nanosheet，就是GAA）架構(gòu)的N2（即2nm）制程相較于其N(xiāo)3E（3nm的低成本版）工藝，在相同功耗下，性能將提升10~15%；而在相同性能下，臺(tái)積電2nm工藝的功耗將降低23~30%；晶體管密度僅提升了10%。

　　也就是說(shuō)臺(tái)積電2nm GAA制程工藝僅用了10%的晶體管密度的提升，就帶來(lái)了最多15%的性能提升、最多30%的功耗的降低。已經(jīng)基本達(dá)到了臺(tái)積電3nm相比5nm的代際提升的幅度，而且后者還是在晶體管密度提升了30%的情況下實(shí)現(xiàn)的。這也再度反應(yīng)了GAA晶體管架構(gòu)所能夠帶來(lái)的提升。

　　與臺(tái)積電一樣，英特爾也選擇了在Intel 3（相當(dāng)于臺(tái)積電3nm制程工藝）繼續(xù)采用FinFET技術(shù)，預(yù)計(jì)在2023年量產(chǎn)，相比Intel 4可帶來(lái)每瓦性能上約18%的提升。直到Intel 20A（相當(dāng)于臺(tái)積電2nm制程工藝）英特爾才會(huì)使用RibbonFET（即GAA）技術(shù)，預(yù)計(jì)將領(lǐng)先臺(tái)積電在2024年上半年量產(chǎn)，但是具體的細(xì)節(jié)參數(shù)并未公布。

　　在GAA專(zhuān)利技術(shù)布局方面，之前的一份數(shù)據(jù)顯示，2011~2020年期間，全球有31.4%的GAA專(zhuān)利來(lái)自臺(tái)積電，20.6%來(lái)自三星。

　　先進(jìn)制程晶圓代工市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)正在加劇

　　一直以來(lái)，三星都希望能夠在晶圓代工業(yè)務(wù)上超越臺(tái)積電，其中對(duì)于先進(jìn)制程的爭(zhēng)奪更是成為了雙方的焦點(diǎn)。搶先量產(chǎn)更為先進(jìn)的半導(dǎo)體制程工藝，不僅能夠體現(xiàn)自身的技術(shù)實(shí)力，同時(shí)也意味著三星能夠?yàn)榭蛻?hù)更快的生產(chǎn)更先進(jìn)的芯片，幫助客戶(hù)更快的在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中占據(jù)有利的地位。這也使得三星能夠憑借搶先量產(chǎn)更先進(jìn)的制程工藝搶到更多的客戶(hù)。

　　比如在2014年底，三星就搶先臺(tái)積電量產(chǎn)了14nm工藝，而臺(tái)積電16nm在2015年年中才開(kāi)始量產(chǎn)。制程工藝上的領(lǐng)先，也使得三星在當(dāng)時(shí)順利拿下了蘋(píng)果iPhone 6S系列所采用的蘋(píng)果A9處理器的超過(guò)半數(shù)訂單。

　　但是，隨后不論是從用戶(hù)的體驗(yàn)，還是專(zhuān)業(yè)的機(jī)構(gòu)的測(cè)試都顯示，基于三星14nm工藝A9處理器的iPhone 6S在體驗(yàn)與續(xù)航表現(xiàn)上都要弱于臺(tái)積電16nm工藝A處理器的iPhone 6S。

　　而且在此之后，臺(tái)積電在10nm-7nm-5nm的量產(chǎn)上均持續(xù)領(lǐng)先于三星，這也使得蘋(píng)果從后續(xù)的A10處理器開(kāi)始全部都交由臺(tái)積電獨(dú)家代工。

　　資料顯示，蘋(píng)果近年來(lái)一直是臺(tái)積電的第一大客戶(hù)，特別是隨著蘋(píng)果M系列處理器成功，給臺(tái)積電帶來(lái)的營(yíng)收也進(jìn)一步大幅增長(zhǎng)。在臺(tái)積電2021年總營(yíng)收當(dāng)中，來(lái)自蘋(píng)果的營(yíng)收占比或?qū)⑦_(dá)到近26%。

　　根據(jù)TrendForce的數(shù)據(jù)顯示，在今年一季度的晶圓代工市場(chǎng)，臺(tái)積電的市場(chǎng)份額高達(dá)53.6%，而排名第二的三星的市場(chǎng)份額僅有16.3%，份額差距巨大。

　　因此，對(duì)于三星來(lái)說(shuō)，只在最先進(jìn)的制程工藝技術(shù)上領(lǐng)先臺(tái)積電，才有機(jī)會(huì)獲得蘋(píng)果這樣的頭部客戶(hù)的訂單，才有機(jī)會(huì)在晶圓代工市場(chǎng)獲得更高的市場(chǎng)份額，從而實(shí)現(xiàn)超越臺(tái)積電的目標(biāo)。

　　而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)積電的超越，三星在2017年成立了獨(dú)立的晶圓代工事業(yè)部，對(duì)于晶圓代工業(yè)務(wù)的重視程度也提升到了一個(gè)新高度，同時(shí)也開(kāi)始持續(xù)加大投入。根據(jù)此前的資料顯示，三星計(jì)劃在2030年之前投資133萬(wàn)億韓元（約合1160億美元），以期成為全球最大的半導(dǎo)體代工企業(yè)。

　　與此同時(shí)，臺(tái)積電去年也宣布在未來(lái)三年累計(jì)資本開(kāi)支提升到1000億美元。

　　在三星積極追趕臺(tái)積電的同時(shí)，市場(chǎng)也迎來(lái)了新的“攪局者”——英特爾。

　　去年3月，英特爾新任CEO基辛格宣布了IDM 2.0戰(zhàn)略，其中關(guān)鍵的一項(xiàng)舉措就是重啟晶圓代工業(yè)務(wù)，英特爾還陸續(xù)宣布了龐大的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，以及激進(jìn)的制程工藝路線(xiàn)圖。

　　首先，在產(chǎn)能方面，自去年以來(lái)，英特爾陸續(xù)宣布投資200億美元在美國(guó)亞利桑那州建造兩座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)、200億美元在美國(guó)俄亥俄州建造兩座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)、30億美元擴(kuò)建美國(guó)俄勒岡州D1X 晶圓廠(chǎng)、未來(lái)10年在歐洲投資800億歐元（包括投資170億歐元在德國(guó)馬德堡建兩座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)；投資約120億歐元，將愛(ài)爾蘭萊克斯利普的晶圓廠(chǎng)的制造空間擴(kuò)大一倍）等。

　　今年2月15日，英特爾還宣布以每股53美元的現(xiàn)金收購(gòu)全球第十大晶圓代工廠(chǎng)——高塔半導(dǎo)體，交易總價(jià)值約為54億美元。英特爾稱(chēng)，此收購(gòu)大力推進(jìn)了英特爾的IDM2.0戰(zhàn)略，進(jìn)一步擴(kuò)大英特爾的制造產(chǎn)能、全球布局及技術(shù)組合，以滿(mǎn)足前所未有的行業(yè)需求。

　　在先進(jìn)制程工藝進(jìn)展方面，去年7月，英特爾就宣布將在2024年上半年量產(chǎn)Intel 20A工藝，并于2025年量產(chǎn)Intel 18A工藝。

　　隨后在今年3月，摩根士丹利投資者大會(huì)上，英特爾CEO基辛格回應(yīng)稱(chēng)，對(duì)英特爾IDM 2.0 戰(zhàn)略計(jì)劃非常有信心，且目前英特爾先進(jìn)制程進(jìn)展皆超過(guò)預(yù)期?；粮駨?qiáng)調(diào)，Intel 7 制程進(jìn)入量產(chǎn)并開(kāi)始增加產(chǎn)能。接下來(lái)四代先進(jìn)制程是由兩個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行研發(fā)，一個(gè)是負(fù)責(zé)Intel 4 及改良版Intel 3 制程，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)Intel 20A 及18A 制程。根據(jù)規(guī)劃Intel 20A依舊會(huì)在2024年上半年量產(chǎn)，而Intel 18A 制程將提前半年在2024年下半年量產(chǎn)。

　　由于臺(tái)積電和三星的2nm計(jì)劃的量產(chǎn)時(shí)間都是在2025年，因此，英特爾有望在2024年在先進(jìn)制程工藝超越臺(tái)積電和三星。

　　值得注意的是，去年英特爾就已宣布2024年上半年量產(chǎn)的Intel 20A工藝，將與高通達(dá)成合作。今年3月，基辛格也對(duì)外表示，未來(lái)最先進(jìn)的工藝都會(huì)提供晶圓代工服務(wù)，其中Intel 3、Intel 18A 制程都已經(jīng)找到客戶(hù)，但具體名單未透露。

　　根據(jù)英特爾對(duì)投資人公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，今年一季度英特爾的晶圓代工業(yè)務(wù)營(yíng)收年增175%，是旗下主要業(yè)務(wù)中，成長(zhǎng)幅度最驚人的業(yè)務(wù)，主要來(lái)自思科、亞馬遜等30多家客戶(hù)的訂單。

　　顯然，英特爾入局晶圓代工市場(chǎng)，將為本就競(jìng)爭(zhēng)激烈的先進(jìn)制程晶圓代工市場(chǎng)帶來(lái)了新的競(jìng)爭(zhēng)，臺(tái)積電、三星也將面臨新的挑戰(zhàn)。

　　作者： 芯智訊浪客劍