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台积电、英特尔、三星的纳米制程之争

2018-10-25
王伟

  随着格罗方德无限期退出7nm及以下工艺研发,全球有能力研发先进工艺的只剩下台积电英特尔和三星。过去几十年里,英特尔依循摩尔定律,在制程工艺技术上一路领先,但是10nm工艺迟迟难产,近期宣告将延期到明年底。反观竞争对手三星和台积电,在14/16nm节点之后好像开挂一样,10nm工艺都已经量产商用,其中台积电更是拿下了华为麒麟970、苹果A11,三星则搞定了高通骁龙845。最近也相继曝光7nm工艺研制成功。这是否意味着半导体代工市场新格局已定?英特尔真的没机会逆袭了吗?

  在回答这个问题之前,让我们来深究一下三大代工厂的最新进展。

  台积电:率先量产 一路领先

  台积电方面日前表示7nm制程的芯片已开始量产,同时5nm制程将会在2019年年底或2020年年初投入量产。目前苹果的A12及华为海思麒麟980处理器,都是由台积电的7纳米制程所生产。除了移动处理器之外,AMD的7纳米制程CPU及GPU,联发科的5G基带芯片和高通英伟达的产品也都将使用台积电的7纳米高效能制程,预计在今年年底之前,用上台积电7nm工艺制程的芯片将会超过50款。据台积电公布的数据,今年9月份营收949.22亿新台币,环比增长4.2%,同比增长了7.2%,是近年来单月第二高水平。可以说在7nm制程上,台积电比三星、英特尔都要抢先一步。

  不仅如此,台积电还规划了5nm以及3nm工艺,其中5nm工艺投资计划超过250亿美元,预计2019年试产,2020年量产,而3nm工艺计划投资约为200亿美元,2020年开始建厂,2021年完成设备安装,预计2022年底到2023年初量产。

  三星:激进派的代表

  作为芯片代工行业的后来者,三星是“全球IBM制造技术联盟”中激进派的代表,早早就宣布了7nm时代将采用EUV。今年4月,三星刚刚宣布已经完成了7nm新工艺的研发,并成功试产了7nm EUV晶元,比原进度提早了半年。在2018年年会上,三星官方宣称高通骁龙5G SoC采用的正是三星7nm LPP工艺,同时表示,基于EUV技术的7nm制程工艺会在接下来几个季度内大规模量产(初期EUV仅用于选择层)。

  除了一步到位的7nm EUV外,三星还规划了一种8nm制程。这个制程实际上是使用DUV光刻+多重曝光生产的7nm制程,继承所有10nm工艺上的技术和特性。由于DUV光刻的分辨率较差,因而芯片的电气性能不如使用7nm EUV,所以三星为其商业命名为8nm。从这一点来看,8nm相比现有的10nm,很可能在晶体管密度、性能、功耗等方面做出了终极的优化,基本上可看做深紫外光刻下的技术极限了。

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  三星将FinFET技术的极限发挥到5nm LPE和4nm LPP,计划2019年风险试产。不过到了3nm时代,芯片越做越小,电流信道宽度不断变窄,难以控制电流方向,三星提出了GAAFET方案,定于2020年早些时候试产。

  英特尔:追求真正的7nm

  在英特尔看来,在一个固定的芯片面积上,能够塞进更多的晶体管,则意味着拥有更多的特性和功能,而不是一味的追求新一代工艺制程。在英特尔看来,竞争对手台积电、三星只是钻了工艺命名的空子。

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  在一次活动上,英特尔曾史无前例地从鳍片间距、栅极间距、最小金属间距、逻辑单元高度、逻辑晶体管密度等技术指标出发,直接给出数据列表进行对比,以此表明英特尔的14nm生产工艺与三星目前的10nm生产工艺相当,而英特尔的10纳米则要领先台积电、三星等其他10nm整整一代--也就是3年时间。。

  据《天下》10 月初在美国采访一位不愿具名的英特尔董事会成员表示,根据原始的摩尔定律,每个新技术世代的电路密度应该是前一代的两倍,但台积电却「投机取巧」。 根据官方数据,台积电 7 奈米的逻辑电路密度只达到前一代 10 奈米制程的 1.6 倍。而英特尔希望满足最严苛的摩尔定律,大幅缩小晶体管体积的同时,还在制程导入全新材料,希望一步到位,实现真正的7nm。

  英特尔曾在 2017 年的美国 IEDM 研讨会上宣布将部分导线层材料从原先的铜换成钴,周边的低介电材质也将更换,可以大幅提升性能及耐用度。结果,英特尔「双管齐下」策略的量产难度比预期高上许多,导致预定时程一再跳票,反而落后台积电。

  一位外资分析师也证实此事。 他表示,英特尔一开始订的微缩倍率甚至略高于两倍,但因为屡试不成,最近已经将标准放宽,因此传出可能提早在明年中量产。 但产品的性能可能仅与台积电 7nm接近。

  然而,一旦英特尔度过难关,因为已经过导入新材料的学习曲期,下一代产品仍有可能反败为胜,这位英特尔董事透露英特尔7nm会比台积电5nm强很多。