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納米之戰(zhàn):臺積電與三星的戰(zhàn)爭

1月13日,臺積電CEO魏哲家表示,2022年70%~80%的資本預(yù)算將用于2納米、3納米等先進工藝技術(shù)的研發(fā)。此前,老對手三星也表示將于2025年量產(chǎn)2納米。去年,英特爾調(diào)整了技術(shù)路線,大踏步向2納米進軍,而IBM展示的2納米工藝制程也著實讓人驚艷了一陣子。新年伊始,2納米作為階段性制高點,吹響了芯片先進制程之戰(zhàn)的號角。臺積電與三星的戰(zhàn)爭目前,在先進工藝這一賽道上,玩家只剩下了臺積電、三星、英特爾和IBM。現(xiàn)在最先進的

1月13日,臺積電CEO魏哲家表示,2022年70%~80%的資本預(yù)算將用于2納米、3納米等先進工藝技術(shù)的研發(fā)。此前,老對手三星也表示將于2025年量產(chǎn)2納米。去年,英特爾調(diào)整了技術(shù)路線,大踏步向2納米進軍,而IBM展示的2納米工藝制程也著實讓人驚艷了一陣子。新年伊始, 2納米作為階段性制高點,吹響了芯片先進制程之戰(zhàn)的號角。


臺積電與三星的戰(zhàn)爭


目前,在先進工藝這一賽道上,玩家只剩下了臺積電、三星、英特爾和IBM?,F(xiàn)在最先進的制程工藝當屬初露鋒芒的4納米了,而能達到此項工藝技術(shù)水平的,全球也只有臺積電和三星兩家。根據(jù)此前臺積電和三星放出的消息,2022年將成為3納米的誕生之年,并且都表現(xiàn)出了將在2025年量產(chǎn)2納米的決心。雖然3納米現(xiàn)在還沒被達到量產(chǎn),但從幾大廠商在3納米上的研發(fā)進度就可初見端倪。


臺積電(南京)有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球曾公開表示,臺積電正在用新工藝證明了,摩爾定律仍在持續(xù)往前推進。作為先進工藝的推動者,臺積電2018年推出7納米,2020年推出5納米, 2022年將會如期推出3納米,而且2納米工藝也在順利研發(fā)。


據(jù)臺積電官方資料顯示,臺積電的3納米相比上一代的5納米工藝,在邏輯密度上提升了1.7倍,性能提升了11%,同等性能下功耗可降低25%~30%。臺積電將在2納米節(jié)點推出Nanosheet/Nanowire的晶體管架構(gòu)并采用新的材料,在性能、功耗和密度也將進一步提升。


賽迪顧問集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心高級分析師楊俊剛向《中國電子報》表示,臺積電將會在2納米芯片中采用GAAFET工藝,目前來看臺積電已經(jīng)試產(chǎn)了3納米芯片,預(yù)計今年將會量產(chǎn),但是臺積電3納米的工藝現(xiàn)在還是采用FinFET工藝,從研發(fā)到生產(chǎn)上,F(xiàn)inFET轉(zhuǎn)到GAAFET還需要有一定的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。



平面晶體管與FinFET以及GAA FET示意圖

資料來源:LamResearch

 

“從質(zhì)量和產(chǎn)量兩方面考慮,臺積電無疑會率先推出2納米代工工藝,目前臺積電投資約300億美金的Fab20正在建設(shè),預(yù)計2024開始運營,主要負責3/2/1納米先進工藝,2025年2納米將在這里最早實現(xiàn)量產(chǎn)。”芯謀研究高級分析師張彬磊篤定的向《中國電子報》記者表示。


三星作為臺積電最強有力的對手,近幾年的發(fā)展速度飛快,并且多次公開表示要在芯片加工領(lǐng)域與臺積電展開競爭,全球敢這么叫板臺積電的也就只有三星了。在IEDM 2021 國際電子元件大會上,三星更是攜手IBM宣布了一種名為垂直傳輸場效應(yīng)晶體管 (VTFET) 的芯片設(shè)計技術(shù),并表示該技術(shù)突破了目前1納米工藝設(shè)計的瓶頸。


2021年10月,三星宣布3納米芯片已經(jīng)開始成功流片,將于2022年上半年開始生產(chǎn),2納米芯片將于2025年量產(chǎn),并且3納米工藝就將會采用GAA工藝,2納米技術(shù)將會持續(xù)采用GAA工藝,在3納米進軍2納米工藝的技術(shù)節(jié)點上將會節(jié)省一些步驟。

TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工企業(yè)市場份額占比排名


盡管三星的進步很大,但與臺積電的差距仍然很大——市場研究公司TrendForce的報告中顯示,2021第三季,三星代工銷售額相較于第二季度增長11.0%至48.1億美元,市場份額卻從2020年的17.3%下降到17.1%。而臺積電第三季度占比53.1%,比第二季度的52.9% 增加了0.2個百分點。楊俊剛認為,原因在于臺積電在晶圓代工領(lǐng)域積累了豐富的客戶資源,包括蘋果、華為、高通、英偉達等。而且先進工藝技術(shù)快速且穩(wěn)定,對于蘋果、華為、高通等追求先進制程迭代速率較快的企業(yè),產(chǎn)品更早進入市場,會為自身帶來一定的市場優(yōu)勢。產(chǎn)能方面,臺積電的晶圓代工產(chǎn)能領(lǐng)先三星于三倍之多,在產(chǎn)能使用和保障上,規(guī)模更大的廠商會更有優(yōu)勢。其次,臺積電屬于純晶圓代工廠,而三星是一個IDM企業(yè),自身生產(chǎn)的產(chǎn)品和一些純IC設(shè)計廠商的產(chǎn)品具有競爭關(guān)系,客戶也會在挑選代工廠商上有所考慮。


張彬磊從產(chǎn)品品質(zhì)方面指出,按照以往的經(jīng)驗來看,三星在晶體管參數(shù)、芯片功耗、發(fā)熱問題、良品率上都比臺積電略遜一籌。特別是采用三星制程的芯片始終擺脫不了嚴重過熱問題,性能也低于臺積電所代工的芯片,使得三星很難擴大市場占有率。


英特爾、IBM左右逢源


英特爾“牙膏廠”的名號在外甚是響亮,原因就在于研發(fā)進度過慢,工藝停留在7納米的時間過長,像是在擠牙膏一樣,不少人懷疑英特爾黔驢技窮了。但最近英特爾像是突然意識到了危機感一樣,到處求合作,此前和三星、IBM簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議,共同研發(fā)2納米制造工藝,而現(xiàn)在又傳出要與臺積電合作,可以說是左右逢源。


楊俊剛表示,英特爾在去年7月份的工藝和封裝大會上,公布了英特爾最新的技術(shù)路線,首先把重要工藝命名進行了修改10納米技術(shù)改名Intel 7,7納米技術(shù)改為Intel4,5納米技術(shù)改成Intel 3,2納米技術(shù)改成Intel20A,Intel20A工藝也是開始由FinFET工藝轉(zhuǎn)向了GAA晶體管,其中將會采用兩項RibbonFET、PowerVia技術(shù)。其中RibbonFET技術(shù)是英特爾自FinFET技術(shù)以來推的首個技術(shù)。并且英特爾表示將會尋求和臺積電合作,雙方共同加強對2納米工藝技術(shù)的研發(fā)。


而老將IBM為我們帶來的最大的驚喜就是在2021年5月發(fā)布的全球首個2納米制造工藝,并在紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2納米工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。據(jù)預(yù)計,IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體管。相比之下,臺積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個晶體管,三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個晶體管。這使得2nm芯片的性能有望提升45%、功耗有望降低75%。


“此款2納米芯片,并未實現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化,采用了GAA工藝,使2納米的晶體管密度達到了333.33(MTr/mm2),高于目前所已知的其他芯片制造的工藝的晶體管密度?!睏羁偨榻B到。但張彬磊認為,這種實驗室工藝,與量產(chǎn)工藝差距很大。IBM和英特爾應(yīng)該把目標放在5納米以上的工藝。


2納米要過三道坎兒


想要研發(fā)出2納米芯片,所需要的環(huán)節(jié)非常繁多且缺一不可,就像我們在做手工時,都需要擁有合適且優(yōu)秀的材料、熟練且完善的技術(shù)和先進且趁手的工具,在先進制程的研發(fā)中更是如此,其中晶體管架構(gòu)方式的轉(zhuǎn)變和優(yōu)化就是技術(shù)的象征。


對于2納米的研發(fā)來說,新型材料的選擇與應(yīng)用一樣會起到至關(guān)重要的作用。喬安表示,半導(dǎo)體制程已逐漸逼近物理極限,因此晶體管架構(gòu)的改變、新興材料的應(yīng)用、亦或是封裝技術(shù)的演進都會是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。


中國科學(xué)院院士張躍指出,硅基集成電路制程與制造技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展,特別是在高端芯片領(lǐng)域已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)鏈。近年來,二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件已經(jīng)在超低功耗晶體管、超快邏輯運算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>


碳納米管基芯片

資料來源:Nature,2019,Vol.572,Page586

 

二維材料和一維材料是未來突破2納米以下先進制程研發(fā)的潛力材料。石墨烯、碳納米管、過渡金屬化合物等二維或一維材料的尺寸較小,是未來有望替代硅基的新材料。目前碳納米管基芯片及石墨烯芯片已經(jīng)有國際研發(fā)機構(gòu)成功實現(xiàn)小規(guī)模的研發(fā)實驗,未來通過中試和量產(chǎn)后,有望突破硅基材料難以延續(xù)摩爾定律的困境。賽迪顧問集成電路中心高級咨詢顧問池憲念向《中國電子報》記者表示。


目前,2納米制程技術(shù)關(guān)注的重點在于晶體管架構(gòu)將由FinFET正式進入GAAFET世代,相較于FinFET,GAAFET架構(gòu)為四面環(huán)繞式包覆,更能有效提高效能同時控制漏電 (降低功耗);TSMC在2納米將正式導(dǎo)入GAAFET,而Samsung2納米制程將為其第二代GAAFET架構(gòu)制程,預(yù)期整體穩(wěn)定性及效能都將更加提升。TrendForce集邦咨詢分析師喬安表示。


從目前的各個大廠公布的技術(shù)來看,GAA(Gate-All-Around)FET全柵場效應(yīng)晶體管技術(shù)將會成為2納米芯片研制的主流工藝,GAAFET工藝采用的是納米線溝道設(shè)計。溝道整個外輪廓都被柵極完美包裹,對溝道的控制能力會更好,并且擁有更好的靜電特性,尺寸能夠進一步微縮。


最后是硬件設(shè)備是否足夠先進可以支撐2納米的制造,自然就是指光刻機,而現(xiàn)有的光刻機是否已經(jīng)滿足2納米的開發(fā)需求了呢?


張彬磊認為,當前的光刻機支持2納米工藝研發(fā)完全沒有問題,5納米量產(chǎn)工藝的光刻機使用多層曝光工藝就可以實現(xiàn)。但是考慮到成本,量產(chǎn)需要的光刻機目前ASML還在開發(fā)中。


目前已量產(chǎn)的光刻機還不能滿足2納米的開發(fā)需求。據(jù)公開信息,荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA(高數(shù)值孔徑)EUV光刻機,可滿足2納米的研發(fā)和生產(chǎn)需求。首臺High NA EUV光刻機將于2023年開放早期測試,并從2025年開始量產(chǎn)。但具體來看,滿足2納米制程生產(chǎn)需求的光刻機還需要突破光學(xué)分辨率的問題,道阻且長。同時,為適應(yīng)2納米的開發(fā)需求,光刻膠也需要進行進一步的革新以滿足光刻機更高分辨率的需求。


2納米之后


盡管現(xiàn)在處于后摩爾時代中,但2納米的研發(fā)已經(jīng)慢慢出現(xiàn)了輪廓,但是否還會向1納米發(fā)展,甚至進入埃米時代,先進工藝的發(fā)展歷程是否還會穩(wěn)步發(fā)展下去。


目前來看,除了少數(shù)需要超大算力或者存儲容量且對芯片體積、能耗極為敏感的領(lǐng)域,1納米及以上的成熟工藝幾乎已經(jīng)完全可以滿足民用類芯片的所有需求。除非在新的通信技術(shù)加持下推出需要超大算力、存儲容量的爆款應(yīng)用產(chǎn)品,否則很難讓普通消費者為手機支付較大開支,來進一步大幅提升性能。眾所周知,先進工藝代工價格非常昂貴,民用芯片一是考慮性能,二就是價格。


喬安表示,根據(jù)目前先進制程領(lǐng)導(dǎo)廠商臺積電、三星及英特爾所發(fā)布的制程路徑圖觀察,先進制程的發(fā)展仍然在持續(xù)進行。然而如同上述,在半導(dǎo)體制程逐漸逼近物理極限的趨勢下,晶體管架構(gòu)的改變、新興材料的應(yīng)用、亦或是封裝技術(shù)的演進都會是摩爾定律延續(xù)下去的重點。


先進工藝肯定會遭遇物理瓶頸,摩爾定律也肯定面臨失效風(fēng)險,后摩爾時代的重點將不會聚焦在無限制提升工藝制程上面,而是通過先進封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構(gòu),甚至提升軟件層面的算法,來提升芯片的運算效率,在這些領(lǐng)域,可供提升的空間還很大,創(chuàng)道投資咨詢總經(jīng)理步日欣向《中國電子報》記者表示。





文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號:DT新材料



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