當半導體制程工藝演進到28nm時，達到了性能和成本的絕佳平衡點，但應用和市場需求并沒有停歇，越來越多的應用沒有滿足于這樣的平衡，即使成本會大幅增加，依然要向更先進制程索要高性能。因此，28nm之后，22nm、16nm……，以及最近幾年量產(chǎn)的5nm、3nm，還有今后幾年將實現(xiàn)量產(chǎn)的2nm、1nm制程，占據(jù)著越來越高的市場份額，與占有廣闊市場空間的28nm以上成熟制程分庭抗禮。

本文與您共同分享一下28nm以下先進制程的發(fā)展情況，首先從納米級制程的終極節(jié)點1nm開始。

1nm

按照IMEC（比利時微電子中心）規(guī)劃的發(fā)展路線圖，預計2028年可實現(xiàn)1nm制程工藝量產(chǎn)。

要實現(xiàn)1nm制程工藝，需要改變晶體管架構(gòu)，三星和臺積電分別在3nm、2nm節(jié)點放棄了FinFET，轉(zhuǎn)向環(huán)繞柵極（GAAFET）結(jié)構(gòu)，也被稱為Nanosheet。而到了1nm及之后更先進制程，對晶體管架構(gòu)提出了更高要求。IMEC提出了Forksheet，通過仿真，IMEC預計Forksheet具有理想的面積和性能微縮性，以及更低的寄生電容。此外，3D“互補FET”（CFET）也是1nm制程的晶體管方案，CFET的一個顯著特征是與納米片拓撲結(jié)構(gòu)具有很強的相似性，CFET的新穎之處在于PFET和NFET納米片的垂直放置。CFET拓撲利用了典型的CMOS邏輯應用，其中將公共輸入信號施加到NFET和PFET的柵極。

目前，臺積電的 1nm 制程仍處于探索階段，工廠正在嘗試各種選項。除了臺積電，三星、英特爾和IBM也在進行1nm制程工藝的研發(fā)。

2nm

2019年，臺積電率先開始了2nm制程技術的研發(fā)工作，相應的技術開發(fā)中心和晶圓廠主要設在中國臺灣的新竹，同時還規(guī)劃了4座超大型晶圓廠。臺積電有望在2024年進入 2nm制程試產(chǎn)階段，并于一年后量產(chǎn)。

臺積電2019年成立了2nm專案研發(fā)團隊，尋找可行路徑進行開發(fā)。在考量成本、設備相容、技術成熟及效能表現(xiàn)等多項條件后，決定采用以GAAFET為基礎的MBCFET（Multi－Bridge Channel FET）架構(gòu)，解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。MBCFET和FinFET有相同的理念，不同之處在于GAAFET的柵極對溝道的四面包裹，源極和漏極不再和基底接觸。

根據(jù)設計的不同，GAAFET也有不同的形態(tài)，目前比較主流的四種技術是納米線、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)。三星對外介紹的GAAFET技術也是MBCFET，即板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。

按照臺積電給出的2nm工藝指標，Metal Track（金屬單元高度）和3nm一樣維持在5x，Gate Pitch（晶體管柵極間距）縮小到30nm，Metal Pitch（金屬間距）縮小到20nm，比3nm減少23％。

3nm

在3nm制程產(chǎn)能建設方面，臺積電在臺南科學園區(qū)有3座晶圓廠，分別是14廠、18廠和6廠，其中前兩座是12英寸晶圓廠，后一座是8英寸晶圓廠。18廠是5nm制程工藝的主要生產(chǎn)基地。而除了5nm工藝，臺積電3nm制程工藝的工廠，也建在臺南科學園區(qū)內(nèi)。

2020年初，三星開始其新建的V1晶圓工廠的大規(guī)模生產(chǎn)，成為業(yè)內(nèi)首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純EUV生產(chǎn)線。而該工廠也是三星3nm制程的主陣地。

三星3nm制程研發(fā)規(guī)劃分為兩個階段：第一代的3nm GAE（GAA－Early）與第二代3nm GAP（GAA－Plus）。

2022上半年，三星量產(chǎn)3nm制程芯片，但用戶和產(chǎn)量非常有限，未見處理器廠商采用。臺積電則在一年前就表示要在2022下半年量產(chǎn)3nm芯片，外界認為其主要客戶肯定是蘋果，然而，當9月初蘋果發(fā)布新機和A16處理器的時候，卻未見采用3nm，而是成熟的4nm制程，新技術高昂的成本迫使蘋果放棄了最初版本的3nm，而將希望放在了2023年可將成本降下來的新版3nm制程。

4nm

2021年11月，聯(lián)發(fā)科正式發(fā)布了高端手機SoC芯片天璣9000，采用了臺積電4nm制程工藝，這也是全球首款量產(chǎn)的4nm制程芯片。

5nm芯片在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)，在此基礎上，臺積電和三星在向3nm進發(fā)，在3nm量產(chǎn)之前，4nm制程填補了5nm與3nm之間的空擋。

臺積電4nm工藝與5nm屬于同一平臺，但4nm工藝的速度、功耗和密度都有了改善，其最大的優(yōu)勢在于與5nm兼容的設計規(guī)則、SPICE和IP。使用5nm工藝設計的產(chǎn)品能夠輕易地轉(zhuǎn)移到4nm平臺上來。

三星的4nm制程主要分為4LPE和4LPP，并將4LPE視為7LPP工藝的演進版本，可提供比5nm更好的PPAc（功率、性能、面積、成本）表現(xiàn)。4LPP是4nm的低功耗版本，于2022年實現(xiàn)量產(chǎn)，這也是三星最后一個采用FinFET晶體管架構(gòu)的制程節(jié)點。

5nm

臺積電表示，由于客戶對5nm需求強勁，該公司5nm系列在2022年的產(chǎn)能擴充計劃比2020年增長3．5倍以上，并在2023年達到2020年的4倍以上。

臺積電還推出了5nm的新版本－N5A制程，目標在于滿足汽車應用對于運算能力日益增加的需求。

蘋果和高通是臺積電5nm制程的最大客戶，此外，AMD也在爭取臺積電的5nm訂單，于2021年開始出貨。至于聯(lián)發(fā)科、英偉達、比特大陸等客戶，也都在后邊排隊等候臺積電的5nm產(chǎn)能。

三星的低功耗版本5LPE性能比7nm提升了10％，而在相同的時鐘和復雜度下，功耗可降低20％。據(jù)悉，5LPE在原始工藝中增加了幾個新模塊，包括具有智能擴散中斷（Smart Diffusion Break：SDB）隔離結(jié)構(gòu)的FinFET，以提供額外的性能，第一代靈活的觸點設置（三星的技術類似于英特爾的COAG，有源柵上的觸點），可用于低功耗的鰭式器件。

6nm

6nm是7nm與5nm之間的過渡制程工藝。

臺積電于2019年4月推出了6nm制程（N6），設計方法與7nm工藝完全兼容，隨著EUV技術的進一步應用，N6的邏輯密度比N7提高18％。

2021年6月，臺積電推出了6nm RF（N6RF）制程，將先進的N6邏輯制程所具備的功耗、效能、面積優(yōu)勢帶給5G射頻（RF）與WiFi 6／6e解決方案。相較于16nm射頻技術，N6RF晶體管的效能提升超過16％。臺積電表示，N6RF制程針對6GHz以下及毫米波頻段的5G射頻收發(fā)器提供大幅降低的功耗和面積，同時兼顧效能、功能與電池壽命。

三星6nm在7nm EUV基礎上，運用其Smart Scaling技術，縮小芯片面積并降低了功耗。該公司于2019 年初宣布第一個基于EUV技術的6nm芯片開始流片，之后，三星還推出了6nm LPE版本。

7nm

臺積電在2017年底試產(chǎn)7nm制程，2018年實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，大規(guī)模量產(chǎn)是在2019年，在2019年第二季度開始量產(chǎn)N7＋（EUV的），N7＋的邏輯密度比N7提高15％～20％，同時降低了功耗。

臺積電7nm工藝量產(chǎn)后，2019年有100多個芯片陸續(xù)流片，包括CPU、GPU、AI、加密貨幣、網(wǎng)絡通信、5G、自動駕駛等芯片?？蛻舭ㄌO果、華為海思、聯(lián)發(fā)科、高通、英偉達、AMD、比特大陸等。蘋果的A13處理器、海思的5G基站芯片，以及AMD的GPU、CPU和服務器芯片都集中在2019下半年出貨，且都在爭取臺積電7nm產(chǎn)能，使其相關產(chǎn)線處于滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

與臺積電相比，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)開始的，隨著客戶下單量增加，持續(xù)提升產(chǎn)能。

8nm

幾乎是在臺積電宣布推出N6RF制程的同時，也是在2021年6月，三星電子宣布開發(fā)出8nm 射頻芯片制程技術，希望搶攻 5G 領域晶圓代工訂單。

三星開發(fā)了一種獨特的 8nm 射頻專用架構(gòu)，名為 RFextremeFET （RFeFET），可以顯著改善射頻特性，同時使用更少的功率。與三星的14nm RF相比，RFeFET 補充了數(shù)字 PPA 縮放，并恢復了模擬 ／ RF 縮放，從而實現(xiàn)了高性能5G平臺。此外，新的 8nm RF 芯片可提高35％的效率，減少35％的面積。

據(jù)悉，三星這種代工技術能夠提供“單芯片解決方案”，專門用于支持多通道和多天線芯片設計的5G 通信。高通已經(jīng)完全擁抱了三星的7nm RF制程，將其相關芯片交給三星生產(chǎn)，并承諾下單量還會提高。

10nm

早在2013年，臺積電就開始了10nm工藝的研發(fā)。而按照早期規(guī)劃，在2016年第四季度量產(chǎn)10nm制程。而實際量產(chǎn)時間與其規(guī)劃基本吻合，2017年初實現(xiàn)了量產(chǎn)，標志性應用就是蘋果的A11處理器。不過，量產(chǎn)后，臺積電10nm營收的比例基本持平，且相對份額不高。

2015年7月，三星電子在網(wǎng)上發(fā)布了一段視頻，確認已經(jīng)將 10nm FinFET 工藝正式加入路線圖。

2017年，幾乎與臺積電同步量產(chǎn)10nm制程后，三星將大部分高通驍龍?zhí)幚砥饔唵问杖肽抑?。不過，為了趕上臺積電7nm制程量產(chǎn)的步伐，三星在10nm上花費的精力和時間比較有限，2019年，三星的7nm制程收到了高通驍龍765的訂單。與臺積電相似，三星將規(guī)劃重點放在了5nm和3nm制程上，10nm也是曇花一現(xiàn)。

英特爾也早就開始了10nm的研發(fā)，原計劃是在2016年量產(chǎn)，但研發(fā)過程中遭遇困難，導致10nm量產(chǎn)時間一再推遲。經(jīng)過多年的周折和延遲，英特爾的10nm終于在2019年底實現(xiàn)量產(chǎn)。

12nm

中國大陸手機市場龐大，且中低端占據(jù)著出貨量的大頭兒，這就給了相應手機處理器絕佳的發(fā)展機會，12nm制程技術的市場份額也就水漲船高了。

聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進制程工藝的研發(fā)。因此，全球晶圓代工市場，12nm的主要玩家就是臺積電、格芯和三星。

聯(lián)發(fā)科是12nm芯片的主力軍，代表產(chǎn)品多是中端芯片，具體包括：Helio P22，采用臺積電12nm FinFET工藝制造；Helio P60；Helio A 系列產(chǎn)品。該公司稱其把高端產(chǎn)品功能下放到了用戶基數(shù)龐大的大眾市場。該系列的首款產(chǎn)品為Helio A22。

在中國大陸，紫光展銳最近幾年在中低端市場的拓展力度很大，并逐步擴大市場占有率，在5G市場，該公司推出了春藤510，采用了臺積電12nm制程工藝。

除了手機處理器，AMD的顯卡RX 590也采用了12nm制程，而這款產(chǎn)品的代工廠為格芯和三星。

14nm

具備14nm制程量產(chǎn)能力的廠商主要有7家，分別是：英特爾、臺積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國際和華虹。

14nm制程主要用于中高端AP／SoC、GPU、礦機ASIC、FPGA、汽車半導體等。對于各廠商而言，該制程也是收入的重要來源。

自2015年正式推出14nm制程后，英特爾已經(jīng)對其依賴了4年的時間，該制程也為這家半導體巨頭帶來了非常可觀的收入。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14nm制程的更新。而英特爾原計劃在2016年推出10nm，但經(jīng)歷了多次延遲，2019年才姍姍來遲，從這里也可以看出該公司對14nm制程的倚重程度。

臺積電于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)點命名有所不同，三星和英特爾是14nm，臺積電是16nm，但在實際制程工藝水平上處于同一世代。

格芯的14nm制程晶圓廠位于美國紐約州馬耳他，主要用于生產(chǎn)高端處理器，不過，14nm產(chǎn)能占格芯總營收的比例較小。聯(lián)電的14nm制程占比也很小，只有3％左右。

22nm

談到22nm制程，要追溯到2008年，當時，業(yè)界首次出現(xiàn)了采用該制程工藝的RAM存儲器，但彼時還未實現(xiàn)量產(chǎn)。到了2012 年，英特爾推出了第一款采用22nm制程工藝的消費級CPU——Ivy Bridge。

22nm制程的出現(xiàn)和普及，滿足了市場上相當多IC設計廠商的實際需求。28nm之后，許多廠商希望轉(zhuǎn)移到更高級節(jié)點，但過高的成本和風險，使得很多廠商對16nm／14nm望而卻步，這樣，很多廠商停留在了28nm及以上的成熟制程，資金更充足的可能會轉(zhuǎn)移到16nm／14nm及更先進制程節(jié)點，還有一些廠商想要獲得性能提升，但無法承受16nm／14nm的價格，此時，22nm脫穎而出。不過，相對而言，與28nm、16nm／14nm相比，22nm制程的市場規(guī)模較小。

22nm制程產(chǎn)品非常適用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應用，近些年，英特爾、格芯、臺積電等廠商都在開發(fā)22nm制程工藝。不過，不同廠商研發(fā)的22nm工藝各不相同，大致可分為三種版本：以臺積電為代表的平面型（planar，相對于3D的FinFET而言）CMOS工藝；格芯的平面FD－SOI工藝；以英特爾為代表的低功耗22nm FinFET工藝。

28nm

就單位芯片成本而言，28nm優(yōu)勢明顯，可以保持較長生命周期。一方面，相較于40nm及更成熟制程，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優(yōu)勢。另一方面，22nm及更先進制程維持高參數(shù)良率以及低缺陷密度難度加大，每個邏輯柵的成本都要高于28nm制程。

28nm制程的主要玩家是臺積電，格芯，聯(lián)電，三星和中芯國際。

臺積電的28nm制程在2011年投入量產(chǎn)后，營收占比只用了一年時間就從2％爬升到了22％，目前依然是28nm制程的主力軍；對于重點發(fā)展特殊工藝的聯(lián)電來說，28nm是其重點業(yè)務版塊，為此，該公司還放棄了14nm以下先進制程的研發(fā)工作。

近些年，SOI工藝快速崛起，這在很大程度上得益于格芯的大力推動。業(yè)內(nèi)人士普遍認為，對于SOI工藝來說，28nm制程更具優(yōu)勢，而且當制程節(jié)點向前演進時，SOI會越來越有優(yōu)勢。28nm算是一個分界點。到了這個節(jié)點，工藝可以很輕松的轉(zhuǎn)換到SOI，而且目前有越來越多的EDA工具支持這種轉(zhuǎn)變。

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