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臺積電與三星的3nm制程爭奪激烈

2019-05-29
關鍵詞: 三星 晶圓 3nm 5G

"2015到2016年,三星Foundry先進制程能力的逐步成熟,從臺積電那里奪得了不少大客戶訂單。2016到2017年,臺積電先進制程的進一步成熟,并憑借InFO技術獨攬蘋果大單。2017年,三星又宣布將晶圓代工部分獨立,擴大純晶圓代工業務份額,直接對標臺積電。三星與臺積電之間的競爭越發激烈。"

力爭3nm進程的原因

3nm制程工藝會給芯片帶來哪些具體的變化,根據現在的信息,我們還無法做出精確的判斷。但從以往的經驗來看,性能提升和功耗降低應該會是更先進制程帶來的最直觀的提升。

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臺積電和三星都已經透露了一些關于3nm工藝節點上的進展。5nm、3nm節點主要面向FPGA等高性能計算領域,智能處理器和5G芯片。而2019年被視為是5G商用元年,在接下來的兩三年中,5G將會被大規模使用。或許,這也是兩大晶圓代工龍頭紛紛選擇透露3nm進程的誘因之一。

臺積電的推進情況

除了7nm、6nm和5nm制程技術,臺積電也公布了3nm制程工藝計劃,目前位于臺灣臺南園區3nm晶圓工廠已經通過了環評初審,臺積電計劃投資約200億美元建廠,可能在2022年底,2023年初實現批量。

三星與臺積電除了在3nm制程上爭奪激烈,在其他先進制程方面的碰撞也不少。自2019年以來,臺積電接連發布了6nm、5nm、5nm+的發展路線。

臺積電的3nm晶圓廠方案已經獲得臺灣主管部門批準,選址臺灣南部科技園區。據悉,臺積電3nm工廠建設預計會花費超過200億美元,同時有望帶動相關供應商跟進建廠。

依照臺積電規劃藍圖,3nm應可在2021年試產、2022年量產,成為全球第一家提供晶圓代工服務,同時解決很多AI人工智能芯片功效更強大的晶圓代工廠。

臺積電3nm制程技術已進入實驗階段,3nm制程在"Gate All Around(GAA) "、環繞式閘極技術上已有新突破。臺積電已經做出環繞式閘極的結構,外型就像類圓形般,但因為尺寸比前一代縮小30%,也必須導入新材料InAsGe nanowire and Silicon nanowire,因此制程技術上相當困難,尤其是在蝕刻部分是大挑戰,不過以優勢來說,環繞式閘極的結構將可以改善ESD靜電放電,環繞式閘極的結構得以繼續微縮柵長尺寸。

在半導體工藝上,臺積電去年量產了7nm工藝(N7+),今年是量產第二代7nm工藝(N7+),而且會用上EUV光刻工藝,2020年則會轉向5nm節點,目前已經開始在Fab 18工廠上進行了風險試產,2020年第二季度正式商業化量產。

明年的5nm工藝是第一代5nm,之后還會有升級版的5nm Plus(5nm+)工藝,預計在2020年第一季度風險試產,2021年正式量產。

對于臺積電的3nm計劃,目前最緊急的難題就是人才難題,臺積電也在積極挖人,在園區發布了高薪招聘計劃,3nm制程很難,臺積電還有很多事情要做。

三星的推進情況

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前不久,三星也公布了未來的制程工藝路線圖,公司計劃2020年則會推出3nm EUV工藝,同時晶體管類型也會從FinFET轉向GAA結構。

據悉,三星3GAE工藝中還在開發當中,不過在jinu發布了3GAE工藝的PDK 1.0工藝設計套件,旨在幫助客戶盡早開始設計工作,提高設計競爭力,同時縮短周轉時間(TAT)。

基于GAA的工藝節點有望在下一代應用中廣泛采用,例如移動、網絡通訊、汽車電子、人工智能(AI)和IoT物聯網等。

通過使用全新的晶體管結構可使性能提升35%、功耗降低50%,芯片面積縮小45%。不過,三星官方沒有明確3GAE工藝量產時間,但根據市場猜測,三星3nm在2021年實現量產是大概率事件。

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預計三星將早于臺積電一年推出3nm工藝。誰能更快地推出可靠的新工藝,誰就有可能掌握在該制程上的最大話語權。

三星的3nm工藝時代不再使用FinFET晶體管,而是使用全新的晶體管結構——GAA(Gate-All-Around環繞柵極)晶體管,通過使用納米片設備制造出了MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多橋-通道場效應管),該技術可以顯著增強晶體管性能,主要取代FinFET晶體管技術。

在晶圓代工市場上,三星公司在14nm節點上多少還領先臺積電一點時間,10nm節點開始落伍,7nm節點上則是臺積電大獲全勝,贏得了幾乎所有7nm訂單,三星只有自家Exynos及IBM的7nm訂單,臺積電也因此宣傳自己在7nm節點上領先友商1年時間。

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根據三星的路線圖,2021年就要量產3GAE工藝了,這時候臺積電也差,而三星則希望借助GAA工藝開發2nm工藝,未來甚至要實現1nm工藝。

給我國的啟示

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臺積電和三星的規劃,給大陸芯片制造企業帶來了極大的壓力。可以作為大陸芯片制造代表的是中芯國際,但是就是這樣的代表也才到2019年才開始實現14nm制程的生產,差距在5年以上甚至更多。即使是中芯國際獲得ASML的光刻機可以生產7nm芯片,但從設備訂購到真正量產,還得花費幾年的時間。在芯片制造技術領域里,中芯國際離三星、臺積電這樣的企業還很遠,臺積電僅在2017年就獲得了2425項,高居全球企業第九位。

臺積電畢竟在芯片代工領域占據了半壁江山,其制造技術不但要領先競爭者,同時其制程技術也必須要保持領先,否則要保持芯片代工的龍頭位置可不是一件容易的事情。而本就在此領域相對滯后的大陸芯片制造,無疑又加大了追趕的難度。

結尾

這兩年,三星電子、臺積電在半導體工藝上一路狂奔,雖然有技術之爭但把曾經的領導者Intel遠遠甩在身后已經是不爭的事實。

面對市場紅利,臺積電和三星這樣的龍頭自然不敢掉以輕心,只有加快進度實現3nm制程的生產,搶占制高點。


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