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                3纳米制程之战,谁能赢?

                INTEL不服,3纳米真♀的是3纳米?

                 

                汽车芯片短缺造成焦头烂额之际,台积电(TSMC)与三星电子的3纳米◥芯片制程大战却到了紧要关头。

                近日,有外媒报道台积电再次发布提升3纳米工艺产能的消息。作为苹果主要芯片供应商,台积电有望在今年下半年开始⊙3纳米工艺芯片的试生产。

                 

                三星,台积电

                 

                实际上,去□年年中的时候,台∮积电已经宣布过计划提升3纳米工艺产能,2022年中将3纳米工艺的月产能ㄨ提升到5.5万块,并在2023年将产能进一步扩大到10.5万块。与此同时,台积电还计划在今年内扩大5纳米芯片的产能,以满足其主要客户日】益增长的需求。

                与5纳米工艺芯片№相比,3纳米芯片在功耗和性能方面分别提升30%和15%。这是科技公司们排队等待台积电晶圆的原因之一。不过,我们↓还是要问,这场竞争⊙的制程极限在哪里?

                3纳米的极限

                晶圆真的是门好生意。据调研机构IC Insights估计,2020年台积电』每片晶圆的营收达1,634美元,居同』业之冠。台积电较格罗方德984美元高约66%,也比中芯684美元及联电675美元高出1倍以上。

                由于台积电去年是全球独家能同时量产7纳米与5米工艺晶圆的代工厂,据IC Insights估计,有16 家年营收超过10亿美元IC设计厂■排队,等待台积电的新产品,这也推升了其晶圆的营收暴增。

                 

                三星,台积电

                 

                除了5纳米,台积电即将发力的是最先进的3纳米制程工艺。实际上,早在2017年9月29日,台积电宣≡布未来3纳米(nm)制程晶≡圆厂,落脚台湾台南市的南部科学工业园区(简称“南科”),当时♂预计最快2022年量产。

                目前,台积电在南科有3座晶圆厂,分别◥是晶圆14厂、晶圆18厂和晶圆6厂。其中,14厂和18厂是12英寸晶圆,6厂是8英寸晶圆。而晶圆18厂是5纳米制程的主▲要生产基地。台积电3纳米制程的晶圆厂,也建在18厂内。

                2020年一季度,台积▂电宣布3纳米∏制程将在2021年试产,并在2022下半年正式量产,如今宣布提升产能,一方面是需求的强力】推动,另一方面也是技术方面的不断∩提升。而从々技术的投入来说,台积电董事长刘德音曾经表示,为了3纳米制程技术,台积电于南科厂的累计投@ 资将超过新台币2万亿元(约4630亿元人民ξ 币)。

                 

                三星,台积电

                 

                在向3纳米跑步前进的道路上,台积电的对手三星,2019年5月就表示其3纳米预计2021年推出(2020年试产)。而INTEL预计2025年才能推出(老实人啊,不玩数◆字游戏)。只是后来由于2020年的疫情影响,三星的3纳米制程推出时间延后到了2022年。

                而说到INTEL,对于台积电的10纳米及以下的工艺说法是颇有微词的,INTEL认∮为台积电和三星在偷换概念。因为,业内讲的“制程√工艺就是栅极的宽度∮”,在节点技术不断推进的过程中,制程工艺的数字已经和栅极的实际宽度发生了偏离。也就是,栅极实际宽度越来越达不到制程工艺说的那个数字▃。

                所以,这一切都变成了营销游戏。自从三星开了这▲个坏的头,台积电也这╱么玩了。2019年,台积电研发负责人黄汉森也曾坦承,“现在描述工艺水平的 XXnm 说法已经不科学,因为它与晶体管栅极已经不是绝对相关,制程节点已经→变成了一种营销游戏,与科技本身的特性没什么关系。”

                不过这个游戏还是得进行下去。而根据IEEE的国际装置与系统发展路线图2017预计,3纳米▂制程将在2024年量产,后继者是2.1纳米(2027)、1.5纳米(2030)和1纳米(2033)。台积电和INTEL皆规划以2纳米Ψ作为接续3纳米的制程,台积电预计2024年量产,INTEL预计2027年推出。

                 

                三星,台积电

                 

                你可以看到,INTEL的2025年量产3纳米相对来说似乎更真实↙点。而从摩尔定律的发展终极来讲,INTEL的路线图以1.4纳米(2029年)作为2纳米的继承者,台积电亦表示后续会发展至1纳米。不管怎么说,这场烧钱、烧技术的“微观”大战,还要拼很久。

                3纳米用GAA

                我们从技术来说说未◢来即将发生的变化。台积电的3纳米制程将继续采用FinFET(鳍式场效应晶体管)。而三星则是直接采用GAA(Gate-All-Around FET,全环绕式结构场效应晶体管)。不过,台积电↓去年也正式宣布,将在2纳米节点引入GAA技术。

                那么说到FinFET(鳍式场效应晶体管),就得说到半导体的技术发展史,其本质其实就是晶体管尺寸的缩小史。从上世纪七十年代的10微米节点开始,半导体的发展一直遵循着摩尔定律。

                在发展的过程卐中,自从22纳米节点上被英特尔首次采用,FinFET在过去的十年里成了成为了半导体器件的主流结构。不过,到了5纳米节点之后,鳍式结构已经很难满足晶体管所需的静电控制,漏电现象在尺寸进一步缩小的情况下急剧恶化。台积电非常明白这种境况。

                 

                三星,台积电

                 

                因此,半导体行业也需要一个新的解决方案。正是基于这一原因,GAA被广泛认为是鳍式结构的下一代接任者。当然,不管是先前的MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、当下的FinFET还是未来的GAA,虽●然形状和材料发生了变化,但说到底都是场效应晶体管(FET,Field-Effect Transistor)。

                2019年,在三星晶圆制造论坛(Samsung Foundry Forum)上,三星明确表示将会在3纳米节点放弃鳍式结构,转向GAA技术。这场大战〓在3纳①米节点上即将爆发。

                此外,目前英特尔仍然受困于7纳米技术难产,尚未给出何时引入GAA的具体计划。但英特尔的首席技术官◣麦克迈克·梅伯里博士曾在去年表示希望能在五年之内实现GAA技术的量产。不过,虽说目前台积电气势如虹,但要说INTEL就“弱鸡”了,还是很不恰当。

                还有一个关于未来技术走向的问题是,根据当前预计,水平方向上的GAA足以维持栅线的周期从54纳米缩减到30~40纳米左右(2~3代节点)。但是,此后晶体管的发展,则充满了挑战与不确定性。

                 

                三星,台积电

                 

                而目前已知的几种备选方案中,垂直纳米线结构、互补式结构、堆叠式结构是较为可行的方案。这些新型的结构理论上都比GAA的结构具ζ备更加优越的性能,但是也需要更为先进的工艺水平才能实现商业〖化生产。从目前的信息来看,互补式结构最有可能成为GAA之后ω 的选择。

                而今,由于3纳米制ω 程技术难度非常大,三星美国工厂也就是德州奥斯汀的晶圆工厂,在2023年前恐怕还难以正式量产。这对于力求赶超台积电的三星来说,压力○依然不小。

                有业◎内人士分析,就目前台积电所公布的制程推进状况来看,采用EUV光刻(Extreme ultraviolet lithography,极紫外光光刻)的5纳米良品率已经快速追︾上7纳米,甚至有业内人士预期台积电的3纳米试〗生产良品率即可达到9成。

                 

                三星,台积电

                 

                所以,就算三星能依靠国内工厂2022年提前量产3纳米GAA,但在性能上未必能压得过台¤积电,在3纳米制程这场“龙争虎斗”中,鹿死谁手还需要拭目以待。