從5納米到3納米2020年半導(dǎo)體巨頭開啟新競局

陳炳欣

近日，一則消息十分引人關(guān)注。高通最新發(fā)布旗下第三代5G基帶芯片驍龍X60。該芯片將采用三星5納米工藝進(jìn)行代工生產(chǎn)。這使得三星在與臺(tái)積電的代工大戰(zhàn)中，搶下一個(gè)重要客戶的訂單，同時(shí)也將摩爾定律推進(jìn)到5納米節(jié)點(diǎn)。2020年之初，全球半導(dǎo)體龍頭大廠在先進(jìn)工藝競爭上的火藥味就已經(jīng)十分濃重。

“3+1”的參與者

能夠持續(xù)跟進(jìn)半導(dǎo)體工藝尺寸微縮的廠家數(shù)量已經(jīng)越來越少，主要就是三星、臺(tái)積電和英特爾三家。中芯國際也在推進(jìn)當(dāng)中。

5G的落地、人工智能的發(fā)展，無不需要應(yīng)用到半導(dǎo)體芯片。這在提升市場規(guī)模的同時(shí)，也對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體制造企業(yè)不得不朝著更加尖端的工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。事實(shí)上，沿著摩爾定律能夠持續(xù)跟進(jìn)半導(dǎo)體工藝尺寸微縮的廠家數(shù)量已經(jīng)越來越少，在這個(gè)領(lǐng)域競爭的廠商主要就是三星、臺(tái)積電和英特爾三家。此外，中國大陸晶圓代工廠中芯國際也在推進(jìn)當(dāng)中。因此，參與先進(jìn)工藝之爭的也就只有這樣“三大一小”幾家公司。

先進(jìn)工藝開發(fā)量產(chǎn)的成功與否對(duì)于半導(dǎo)體巨頭來說意義十分重大。對(duì)于臺(tái)積電，按工藝水平劃分，7nm工藝技術(shù)段占公司收入的35%，lOnm為1%，16nm為20%，合計(jì)16nm及以下先進(jìn)工藝產(chǎn)品收入已經(jīng)占到56%。臺(tái)積電CEO魏哲家表示，采用先進(jìn)工藝的SCJ和HPC是臺(tái)積電的長期主要增長動(dòng)力。

正因如此，半導(dǎo)體龍頭大廠無不極為重視先進(jìn)工藝的投資與開發(fā)。2月20日，三星宣布韓國華城工業(yè)園一條專司EUV（極紫外光刻）技術(shù)的晶圓代工生產(chǎn)線Vl實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)了解，Vl生產(chǎn)線于2018年2月動(dòng)工，2019年下半年開始測(cè)試晶圓生產(chǎn)，首批產(chǎn)品今年第一季度向客戶交付。目前，Vl已經(jīng)投入7nm和6nm EUV移動(dòng)芯片的生產(chǎn)工作，規(guī)劃未來可以生產(chǎn)3nm的產(chǎn)品。

臺(tái)積電對(duì)先進(jìn)工藝的開發(fā)同樣重視。據(jù)悉，臺(tái)積電將增加2020年的資本支出，從原定的110億美元，上修至140億美元～150億美元，其中8 0%將投入先進(jìn)工藝產(chǎn)能的擴(kuò)增，包括7nm、5nm及3nm等。而日前業(yè)內(nèi)也傳出“英特爾將提前進(jìn)行7nm投資”的消息。在2019年財(cái)報(bào)中，英特爾表示2020年計(jì)劃的資本支出約為170億美元。

根據(jù)中芯國際財(cái)報(bào)，2019年第四季度14nm工藝已經(jīng)量產(chǎn)，并帶來了768萬美元的營收。在該次財(cái)報(bào)會(huì)議上，中芯國際聯(lián)席CEO梁孟松也首次公開了中芯國際的N+l、N+2工藝的情況。中芯國際的N+l工藝和現(xiàn)有的14nm工藝相比，性能提升了20%，功耗降低了57%，邏輯面積縮小了63%，SoC面積減少了55%。

5nm/6nm將成今年競爭焦點(diǎn)

三星EUV產(chǎn)線的投產(chǎn)以及成功交付高通全球首個(gè)5納米產(chǎn)品驍龍X60基帶芯片，都將給臺(tái)積電帶來一定壓力。

如果說2019年先進(jìn)工藝的競爭重點(diǎn)是7nm+ EUV光刻工藝，那么2020年焦點(diǎn)將轉(zhuǎn)到Snm節(jié)點(diǎn)上。在高通發(fā)布X60基帶芯片之后，路透社便援引兩名知情人士消息報(bào)道，三星的半導(dǎo)體制造部門贏得了高通的最新合同，將使用Snm工藝技術(shù)生產(chǎn)新發(fā)布的芯片。對(duì)此，有業(yè)內(nèi)人士指出，三星EUV產(chǎn)線的投產(chǎn)以及成功交付高通全球首個(gè)5納米產(chǎn)品驍龍X60基帶芯片，都將給臺(tái)積電帶來一定壓力。

此前三星在先進(jìn)工藝方面與臺(tái)積電的競爭并不順利。2018年三星選擇了跳過LPE低功耗階段，直接進(jìn)入7nm EUV的大膽策略，意圖在工藝技術(shù)上搶占先機(jī)，但是新工藝的良品率一直不高，使得大膽策略沒有奏效。而臺(tái)積電仍采用傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)，先行占領(lǐng)市場，取得了幾乎100%的7nm市場。不過三星顯然并沒有放棄對(duì)先進(jìn)工藝市場的開發(fā)與爭奪。公司計(jì)劃通過“多元化客戶應(yīng)用”來擴(kuò)大5nm芯片產(chǎn)量。按照三星此前發(fā)布的工藝規(guī)劃，5nm工藝在2019年4月份開發(fā)完成，下半年實(shí)現(xiàn)首次流片，在2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

臺(tái)積電對(duì)于Snm也同樣重視。根據(jù)臺(tái)積電此前的披露，5nm工藝2019年上半年導(dǎo)入試產(chǎn)，2020年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。臺(tái)積電5nm投資250億美元，月產(chǎn)能5萬片，之后再擴(kuò)充至7萬～8萬片。根據(jù)設(shè)備廠商消息，下半年臺(tái)積電5nm接單已滿，除蘋果新一代A14應(yīng)用處理器外，還包括華為海思新款麒麟芯片等。即使是三星已經(jīng)拿下高通5nm訂單，也不代表臺(tái)積電就會(huì)失去高通的訂單。事實(shí)上，高通一直以來就是把晶圓代工訂單交由臺(tái)積電和三星等多家廠商生產(chǎn)的。此外，臺(tái)積電還規(guī)劃了一個(gè)5nm工藝的加強(qiáng)版，有點(diǎn)像7nm節(jié)點(diǎn)的N7+。資料顯示，5nm加強(qiáng)版在恒定功率下可提高7%的性能，降低15%的功率。預(yù)計(jì)該工藝平臺(tái)將在2021年量產(chǎn)。

6nm是今年競爭的另一個(gè)重點(diǎn)。紫光展銳最新發(fā)布的5G芯片虎賁T7520就采用了臺(tái)積電的6nm工藝，相較7nm工藝，晶體管密度提升18%，功耗下降8‰根據(jù)臺(tái)積電中國區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展副總經(jīng)理陳平的介紹，6nm是7nm的延伸和擴(kuò)展。6nm工藝平臺(tái)是7nm工藝的另一個(gè)升級(jí)版。由于它可以利用7nm的全部lP，此前采用7nm的客戶可以更加便捷地導(dǎo)入，在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)兼顧了成本。

3nm走向值得關(guān)注

5nm可能與10nm相同，是一個(gè)過渡節(jié)點(diǎn)，未來將迅速轉(zhuǎn)向3nm。但是3nm節(jié)點(diǎn)需要探索新的工藝架構(gòu)。

3nm有可能是半導(dǎo)體大廠間先進(jìn)工藝之爭的下一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。半導(dǎo)體專家莫大康指出，真正發(fā)生重大變革的是3nm，因?yàn)閺?nm開始半導(dǎo)體廠商會(huì)放棄FinFET架構(gòu)轉(zhuǎn)向GAA晶體管。

莫大康表示，市場預(yù)測(cè)5nm可能與lOnm相同，是一個(gè)過渡節(jié)點(diǎn)，未來將迅速轉(zhuǎn)向3nm。但是3nm節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在半導(dǎo)體公司采用的FinFET架構(gòu)已不再適用，需要探索新的工藝架構(gòu)。

也就是說，在這個(gè)技術(shù)岔道口，三星有可能對(duì)臺(tái)積電發(fā)起更強(qiáng)力的挑戰(zhàn)。三星在“2019三星代工論壇”上，曾發(fā)布新一代閘極環(huán)柵工藝。因此，外界預(yù)計(jì)三星將在3nm節(jié)點(diǎn)使用GAA環(huán)柵架構(gòu)工藝。三星電子的半導(dǎo)體部門表示，基于GAA工藝的3nrn芯片面積可以比最近完成開發(fā)的5納米產(chǎn)品面積縮小35%以上，耗電量減少50%，處理速度可提高3 0%左右。

臺(tái)積電則在2018年宣布投資6000億元新臺(tái)幣，興建3nm工廠，計(jì)劃在2020年動(dòng)工，最快于2022年年底開始量產(chǎn)。在2019年第一季度的財(cái)報(bào)法說會(huì)上，臺(tái)積電曾披露其3nm技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入全面開發(fā)階段。不過到目前為止，臺(tái)積電仍未公開其3nm節(jié)點(diǎn)的工藝路線。外界估計(jì)，臺(tái)積電有可能要在今年4月29日舉行的“北美技術(shù)論壇”上才會(huì)公布3nm的細(xì)節(jié)。屆時(shí)，臺(tái)積電與三星的3nm工藝之爭將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的階段。