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最燒錢的技術戰!全球沖刺3nm芯片,100億美元起

2020-05-09
來源:康爾信電力系統

    最近,臺積電終于公開承認了自己的3nm計劃。最終,半導體制造業這場決定未來制程走向的關鍵一役——3nm技術之戰還是來了。

    3nm成為競爭關鍵點

    三星的5nm工藝將作為其7nm LPP的改良面向市場推出,而3nm工藝才被三星視為是能夠超越臺積電的關鍵節點,在該節點中,三星將采用GAA MCFET(多橋通道FET)工藝。為什么三星會將賭注押在3nm節點上?

    從三星和臺積電在過去三年的競爭中看,當年三星將其代工業務獨立出來之時,也正值先進工藝即將進入10nm工藝階段。彼時,兩者均推出了10nm工藝的產品。但當年三星10nm大客戶僅有高通,不敵臺積電。

    此后三星又在10nm上推出三種不同的改進工藝,以試圖搶奪更多的訂單。而臺積電則在推出10nm以后,轉向了更具優勢的7nm工藝。7nm對于半導體制造工藝來說是非常重要的里程碑。2018年臺積電宣布其7nm開始量產,三星則是選擇在7nm上使用EUV。同年,三星7nm EUV也宣布了量產計劃,但因其7nm EUV工藝技術不夠成熟,因而未能得到市場的認可。在此期間,華為海思、高通、英特爾和聯發科等企業紛紛投入到臺積電的懷抱。三星錯失了搶奪7nm訂單的最佳時期。

    但根據市場情況來看,7nm在如今的市場中仍然保持著活力,三星7nm EUV技術也在去年得到了改善。于是,三星憑借低價搶奪了原在臺積電手中的英偉達的訂單。此外,三星還從臺積電手中搶走了IBM Power系列處理器的訂單。但這并不足以支撐三星在7nm上超越臺積電。所以,三星只能放眼下一代先進制程。

    雙雄劍指3nm

    三星已成功研發出首個基于GAAFET的3nm制程,預計2022年開啟量產。與7nm工藝相比,3nm工藝可將核心面積減少45%,功耗降低50%,性能提升35%。

    

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    按照三星的研發路線圖,在6nm LPP之后,還有5nm LPE、4nm LPE兩個節點,隨后進入3nm節點,分為GAE(GAA Early)以及GAP(GAA Plus)兩代。去年5月,三星的3nm GAE設計套件0.1版本已經就緒,以幫助客戶盡早啟動3nm設計。三星預計該技術將在下一代手機、網絡、自動駕駛、人工智能及物聯網等設備中使用。

    以2022年量產為目標的臺積電,也在按計劃推進3nm研發。臺積電相關人士表示,臺積電在3nm節點技術開發進展順利,已經與早期客戶進行接觸。臺積電投資6000億新臺幣(約合1380億元)的3nm寶山廠也于去年通過了用地申請,預計2020年動工,2022年量產。

    臺積電在7nm節點取得了絕對優勢,在5nm也進展順利,獲得了蘋果A14等訂單。但三星并沒有放松追趕的腳步,計劃到2030年前在半導體業務投資1160億美元(約合8000億元),以增強在非內存芯片市場的實力。臺積電創始人張忠謀日前對媒體表示,臺積電與三星的戰爭還沒有結束,臺積電只是贏得了一兩場戰役,可整個戰爭還沒有贏,目前臺積電暫時占優。

    

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    世界上最燒錢長跑:芯片制程進階之路

    什么是芯片制程?制程用來描述芯片晶體管柵極寬度的大小,納米數字越小,說明晶體管密度越大,芯片性能就越高。

    例如,臺積電7nm芯片的典型代表蘋果A13、高通驍龍865和華為麒麟990,每平方毫米約有1億個晶體管。隨后臺積電5nm、3nm芯片進一步將每平方毫米的晶體管數量進一步提升至1.713億個、2.5億個。

    

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    伴隨著制程的進化,5nm比7nm芯片性能提升15%,功耗降低30%;3nm又比5nm芯片性能提升10-15%,功耗降低25-30%。

    由于各家對制程工藝的命名法則不同,相同納米制程下,并不能對各廠商的制程技術進展做直觀比較。比如英特爾10nm的晶體管密度與臺積電7nm、三星7nm的晶體管密度相當。

    

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    從制程最新進展來看,一邊是臺積電三星在5nm/3nm等先進制程上你追我趕,另一邊英特爾則韜光養晦循序漸進地走向7nm。

    5nm方面,臺積電已經拿到蘋果和華為的旗艦手機芯片訂單,下半年開啟量產,有望在其2020年營收占比達10%。

    三星在5nm制程則相對落后,目前正加速韓國華城5nm生產工廠V1的建設,預計6月底前完成生產線建設,今年年底前實現量產。

    據外媒報道,三星與谷歌正合作開發采用三星5nm LPE工藝的定制Exynos芯片組,將搭載于谷歌的Pixel智能手機、Chrome OS設備甚至數據中心服務器中。

    3nm方面,臺積電3nm制程預計2021年開始試生產,并于2022年下半年開始量產。三星原計劃2021年大規模量產3nm工藝,但受當前疫情影響,不確定量產時間是否會推遲。

    為什么挺進先進制程的玩家屈指可數呢?主要源于兩大門檻:資本和技術。

    制程工藝的研發和生產成本逐代上漲。根據相關數據,3nm芯片的設計費用約達5-15億美元,興建一條3nm產線的成本約為150-200億美元。

    兩年前臺積電為3nm工藝計劃投資6000億新臺幣,折合近200億美元。單是從資金數目來看,很多中小型晶圓廠就玩不起。

    

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    更高的研發和生產成本,對應的是更難的技術挑戰。

    每當制程工藝逼近物理極限,晶體管結構、光刻、沉積、刻蝕、檢測、封裝等技術的創新與協同配合,對芯片性能天花板的突破起到決定性作用。

    

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