日前，據(jù)ANANDTECH報(bào)道，臺(tái)積電上周表示，“在3nm上，技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展順利，我們已經(jīng)與早期客戶就技術(shù)定義進(jìn)行了接觸，”臺(tái)積電首席執(zhí)行官兼聯(lián)合主席CC Wei在與投資者和金融分析師的電話會(huì)議上表示。“我們希望我們的3納米技術(shù)能夠進(jìn)一步擴(kuò)展我們?cè)谖磥?lái)的領(lǐng)導(dǎo)地位”，看來(lái)，臺(tái)積電的制造技術(shù)已經(jīng)脫離了尋路模式，而且開(kāi)始與早期客戶合作。

在臺(tái)積電加速前進(jìn)的同時(shí)，另一邊廂三星也在快馬加鞭，晶圓代工的雙雄爭(zhēng)霸時(shí)代正式開(kāi)啟。

臺(tái)積電的銜枚疾走

由于其3nm技術(shù)尚處于早期開(kāi)發(fā)階段，因此臺(tái)積電目前尚未談及該流程的具體特征及其優(yōu)于5nm的優(yōu)勢(shì)。但事實(shí)上，臺(tái)積電已經(jīng)確認(rèn)3nm是一種全新的工藝技術(shù)，而不是5nm的改進(jìn)或迭代。臺(tái)積電表示，公司已經(jīng)評(píng)估了3nm所有可能的晶體管結(jié)構(gòu)選擇，并為其客戶提供了“非常好的解決方案”。該規(guī)范正在開(kāi)發(fā)中，該公司相信它將滿足其領(lǐng)先的合作客戶的要求。

2019年4月18日，在臺(tái)積電召開(kāi)第一季度財(cái)報(bào)會(huì)議中，臺(tái)積電指出3nm技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入全面開(kāi)發(fā)的階段。分析師王兆利認(rèn)為，強(qiáng)大的3nm芯片的主要應(yīng)用將是云計(jì)算，人工智能和5G。蘋果，華為，谷歌和Nvidia可能成為臺(tái)積電新芯片的潛在客戶。

同時(shí)，可以肯定地說(shuō)，臺(tái)積電的3納米節(jié)點(diǎn)將同時(shí)使用DUV和EUV光刻設(shè)備。由于臺(tái)積電的5nm使用了14個(gè)EUV層，因此3nm的使用層數(shù)可能會(huì)更高。這家全球最大的半導(dǎo)體合約制造商似乎對(duì)其EUV進(jìn)展感到非常滿意，并認(rèn)為該技術(shù)對(duì)其未來(lái)至關(guān)重要。

雖然3nm技術(shù)的細(xì)節(jié)并沒(méi)有太多披露，但在工廠上面，臺(tái)積電進(jìn)展神速。

2018年12月，根據(jù)臺(tái)灣新聞報(bào)道，臺(tái)積電已經(jīng)獲準(zhǔn)在臺(tái)南南部科學(xué)園開(kāi)始建設(shè)新的芯片工廠。臺(tái)積電計(jì)劃投資6000億新臺(tái)幣(約合195億美元)用于新工廠的建設(shè)，計(jì)劃于2020年開(kāi)始。該芯片制造商預(yù)計(jì)將于2021年進(jìn)入生產(chǎn)試運(yùn)行，并于2022年開(kāi)始量產(chǎn)，準(zhǔn)備讓他們進(jìn)入最新的手機(jī)和平板電腦。新工廠計(jì)劃在臺(tái)南南臺(tái)科技園建設(shè)，并將與臺(tái)積電的5nm芯片工廠并列，該工廠將于2020年初完工。

2019年7月，臺(tái)灣相關(guān)部門發(fā)表公告指出，他們已經(jīng)審議通過(guò)臺(tái)積電3 納米寶山廠都市計(jì)劃變更案件，對(duì)于臺(tái)積電預(yù)計(jì)投資超過(guò)六千億元興建3 納米寶山廠。這加速了臺(tái)積電的工廠建設(shè)。

三星的亦步亦趨

在晶圓代工領(lǐng)域，領(lǐng)先的代工廠大抵是這幾家，三星、臺(tái)積電、英特、GlobalFoundries、聯(lián)電等，然而早在2018年8月13日臺(tái)灣第三大晶圓代工廠聯(lián)電宣布停止12nm以下先進(jìn)工藝的研發(fā)，8月28日全球第二大晶圓代工廠Global Foundries官宣擱置7nm的FinFET項(xiàng)目。至此，7nm以下的角逐場(chǎng)中僅剩下了英特爾、三星和臺(tái)積電。

因?yàn)橛⑻貭栔饕且粋€(gè)IDM，那就意味著現(xiàn)在能與臺(tái)積電一搏的只剩下三星。

三星是世界上最大的科技公司之一，但它的野心遠(yuǎn)不能止步于此。三星不能忍受臺(tái)積電在晶圓代工領(lǐng)域獨(dú)自稱霸，希望在臺(tái)積電吞噬的代工蛋糕中分得更大的一塊。目前，臺(tái)積電占據(jù)了約50%的合同制造市場(chǎng)，而三星則以略低于15%的份額落后。

臺(tái)積電在2018年初達(dá)到了一個(gè)重要的里程碑，當(dāng)時(shí)它成為世界上第一家出貨7nm的供應(yīng)商。后來(lái)，三星進(jìn)入了7nm的比賽。工藝到了3nm，三星似乎比臺(tái)積電更快一步。2017年，三星推出了3nm的所謂多橋通道FET(MBCFET)。

韓國(guó)聯(lián)合通訊社報(bào)道指出，2019年5月，在圣克拉拉的三星鑄造論壇上，三星邀請(qǐng)了800名半導(dǎo)體研發(fā)人員和客戶參觀其新工藝技術(shù)的進(jìn)展，并宣布了其下一代半導(dǎo)體制造工藝的計(jì)劃。最大的宣布是三星的3nm GAA的發(fā)展，柵極全能場(chǎng)效應(yīng)晶體管GAAFET(Gate-All-Around)是三星與IBM合作開(kāi)發(fā)的工藝節(jié)點(diǎn)，也一度被三星認(rèn)為是FinFET的繼任者?，F(xiàn)在三星宣布了對(duì)早期工藝的定制，已將其注冊(cè)為MBCFET(多橋通道FET)。不過(guò)三星的3nm制程將使用GAA技術(shù)，并推出MBCFET，目的都是為了確保3nm的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)三星的說(shuō)法，它可以通過(guò)用納米片取代Gate All Around，從而使每一層的電流更大。這種替換增加了傳導(dǎo)面積，并允許在不增加橫向足跡的情況下添加更多的柵極。與傳統(tǒng)的FinFET設(shè)計(jì)相反，GAAFET允許柵極材料從所有側(cè)面環(huán)繞通道。三星聲稱，MBCFET的設(shè)計(jì)將改善工藝的開(kāi)關(guān)行為，并允許處理器將工作電壓降低到0.75V以下。MBCFET關(guān)鍵點(diǎn)是，該工藝完全兼容FinFET設(shè)計(jì)，不需要任何新的制造工具。與7nm FinFET相比，3nm MBCFET將功耗和表面積分別降低30%和45%，這一過(guò)程還將比目前高端設(shè)備的性能節(jié)點(diǎn)提高40%。

為了搶占臺(tái)積電的市場(chǎng)，這家韓國(guó)巨頭為其先進(jìn)的3nm GAAFET工藝發(fā)布了工藝設(shè)計(jì)套件，以便潛在客戶盡早開(kāi)始艱難的設(shè)計(jì)工作。

三星還強(qiáng)調(diào)了其6nm，5nm和4nm工藝節(jié)點(diǎn)的計(jì)劃。據(jù)該公司介紹，三星將在2019年下半年開(kāi)始6nm批量生產(chǎn)，同時(shí)，該公司將完成其4nm制造工藝的開(kāi)發(fā)。三星還透露，該公司的5納米工藝的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將在2019年下半年完成，該節(jié)點(diǎn)將在2020年進(jìn)入批量生產(chǎn)，而且與臺(tái)積電的5納米工藝大致相同。

三星一直以來(lái)都擁有強(qiáng)大的研究基礎(chǔ)，而現(xiàn)在所有這一切都在通過(guò)他們的新技術(shù)推動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展，這項(xiàng)新技術(shù)將在2021年開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。咨詢公司International Business的首席執(zhí)行官認(rèn)為：“三星強(qiáng)大的材料研究計(jì)劃正在取得成功，三星在GAA中領(lǐng)先于臺(tái)積電大約12個(gè)月，英特爾可能比三星落后兩到三年。”

但是三星的野心不止于此，目前尚未有公司宣布3nm之后的半導(dǎo)體工藝，目前大家都認(rèn)為摩爾定律在3nm之后就要徹底失效，遭遇量子物理的考驗(yàn)，而三星則希望借助GAA工藝開(kāi)發(fā)2nm工藝，未來(lái)甚至要實(shí)現(xiàn)1nm工藝。

3nm的困難重重

玩芯片，不但要有技術(shù)，還要有錢。由于每個(gè)新節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)縮小，采用成本增加，半導(dǎo)體行業(yè)在過(guò)去幾年中越來(lái)越難以提供新的工藝節(jié)點(diǎn)。臺(tái)積電，GlobalFoundries，三星和英特爾等成為最后四家領(lǐng)先的代工廠的最大原因之一就是將極紫外光刻(EUV)引入即將到來(lái)的工藝節(jié)點(diǎn)，因?yàn)椴皇褂肊UV 的成本已經(jīng)變得不可持續(xù)。

雖然預(yù)計(jì)EUV會(huì)通過(guò)減少每個(gè)設(shè)計(jì)所需的掩模數(shù)量來(lái)降低制造處理器的成本，但它并無(wú)法降低芯片設(shè)計(jì)的成本，而且芯片設(shè)計(jì)成本上升得如此之快。

國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略(IBS)的下圖顯示了5納米的預(yù)期設(shè)計(jì)成本，3納米數(shù)據(jù)點(diǎn)尚未出現(xiàn)在圖表中。將“16nm”色譜柱視為迄今為止我們?cè)谑袌?chǎng)上看到的各種12/14 / 16nm芯片，它意味著構(gòu)建新的GPU，CPU或SoC的成本約為1億美元。即使在7nm，設(shè)計(jì)成本也增加了兩倍。但是從7納米移動(dòng)到3納米將意味著將成本提高5倍。

據(jù)手機(jī)晶片大人分享，臺(tái)積電5nm全光罩流片費(fèi)用大概要3億元，這還不含ip授權(quán)。半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用包含IP、Architecture、檢查、物理驗(yàn)證、軟件、試產(chǎn)品制作等。據(jù)IBS稱，設(shè)計(jì)3nm器件的成本從5億美元到15億美元不等，而工藝開(kāi)發(fā)成本從40億美元到50億美元不等，工廠的開(kāi)發(fā)成本在150億到200億美元之間，所以我們也看到臺(tái)積電斥資190億美元建3nm工廠也是合理之中。“基于相同的成熟度，3nm晶體管的成本預(yù)計(jì)將比5nm高出20%至25%，”IBS'Jones說(shuō)。

因此，隨著芯片設(shè)計(jì)成本的增加，3nm工藝節(jié)點(diǎn)處于危險(xiǎn)之中。隨著遷移到新節(jié)點(diǎn)的成本上升，改進(jìn)舊節(jié)點(diǎn)作為提供給客戶改進(jìn)的手段的相對(duì)價(jià)值也會(huì)上升。我們也看到了市場(chǎng)的一些變化，很多廠商有時(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)舊節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)或使用較舊的節(jié)點(diǎn)與新的制造技術(shù)相結(jié)合。例如，當(dāng)三星轉(zhuǎn)而構(gòu)建3D NAND時(shí)，它就采用了40nm工藝。通過(guò)使用較舊的工藝節(jié)點(diǎn)，三星能夠改善其TLC NAND的特性。雖然美光和英特爾沒(méi)有具體說(shuō)明他們用于四電平單元(QLC)NAND的工藝節(jié)點(diǎn)，但幾乎可以肯定它也建立在較舊的工藝節(jié)點(diǎn)上。GlobalFoundries擁有22nm節(jié)點(diǎn)和FDSOI - 明顯的嘗試是迎合希望轉(zhuǎn)向28nm以下改進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的客戶，但與14 / 16nm FinFET相比，需要低功耗和低設(shè)計(jì)成本。(FinFET的設(shè)計(jì)成本較高，F(xiàn)D-SOI的晶圓成本較高)。

國(guó)內(nèi)廠商任重道遠(yuǎn)

眾所周知，由于我國(guó)在芯片領(lǐng)域的起步較晚，相對(duì)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，芯片制造企業(yè)亦是如此。作為大陸絕對(duì)龍頭的中芯國(guó)際，承載著國(guó)家對(duì)于上游晶圓制造的決心。最近幾年，中芯國(guó)際在先進(jìn)制程的研發(fā)上奮力推進(jìn)，取得了不錯(cuò)的成就，2019年2月中芯國(guó)際14nm工藝量產(chǎn)更是引起了巨大關(guān)注。

2017年10月，曾任職臺(tái)積電研發(fā)部門領(lǐng)頭人的梁孟松博士加入中芯國(guó)際，加快了企業(yè)向先進(jìn)制程的轉(zhuǎn)型，14nm就是其轉(zhuǎn)型的成果。2019年2月中芯國(guó)際采用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的14納米FinFET制造技術(shù)開(kāi)始批量生產(chǎn)。值得注意的是，這至少比最初的預(yù)期提前了幾個(gè)季度，表明中芯國(guó)際顯然提前了。而且據(jù)悉中芯國(guó)際14nm的產(chǎn)量已達(dá)到95%，足以開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)。

在過(guò)去的14nm工藝中，中芯國(guó)際已經(jīng)開(kāi)始研究其10nm和7nm工藝，正如公司在2018年所證實(shí)的那樣。這兩種工藝設(shè)計(jì)成本極高，但由于半導(dǎo)體工業(yè)總體上正在發(fā)展，中芯國(guó)際這幾年也在加緊布局。2018年中芯國(guó)際以1.2億美元的價(jià)格從ASML購(gòu)買了EUV極紫外光刻機(jī)，用于7納米工藝開(kāi)發(fā)并最終大規(guī)模生產(chǎn)。事實(shí)上，在國(guó)際高端手機(jī)行列，無(wú)論是華為麒麟系列、高通的驍龍系列處理器，亦或是蘋果的A12處理器，都是采用的7nm的制程工藝。

據(jù)ANANDTECH報(bào)道，“中芯國(guó)際正在籌集100億美元用于14nm，10nm和7nm的擴(kuò)產(chǎn)。國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略(IBS)首席執(zhí)行官亨德?tīng)?middot;瓊斯(Handel Jones)表示，到2021年，它們將在第四季度每月生產(chǎn)70,000片晶圓。

中芯國(guó)際的聯(lián)席首席執(zhí)行官梁博士針對(duì)第一季度的財(cái)報(bào)也說(shuō)講到：“我們的FinFET技術(shù)研發(fā)進(jìn)展順利，12nm正在進(jìn)入客戶互動(dòng)，我們下一代FinFET的研發(fā)進(jìn)展順利，基于我們積累的技術(shù)發(fā)展，中芯國(guó)際的FinFET Fab的建設(shè)已經(jīng)成功完成，我們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行容量部署。我們將為客戶技術(shù)遷移的快速轉(zhuǎn)變做好準(zhǔn)備，以應(yīng)對(duì)不斷變化的行業(yè)環(huán)境。”

如今，中芯國(guó)際14nm，12nm工藝開(kāi)發(fā)也已經(jīng)進(jìn)入到客戶導(dǎo)入階段，下一代FinFET研發(fā)在過(guò)去積累的基礎(chǔ)上進(jìn)度喜人。與三星、臺(tái)積電相比，中芯國(guó)際作為后來(lái)者確實(shí)在制程上相對(duì)落后，但其研發(fā)支出毫不遜色，自2013年觸底反彈后，研發(fā)占收入的比例持續(xù)提升，2018年時(shí)，該比例為16.52%，是臺(tái)積電的一倍。

隨著摩爾定律放緩，制程的不斷壓縮，即在越接近1nm的制程上，花費(fèi)的時(shí)間越多，在3nm 的領(lǐng)地中，中芯國(guó)際作為大陸最大的代工廠，任重道遠(yuǎn)，未來(lái)可期。

3nm以下工藝一直被公認(rèn)為是摩爾定律最終失效的節(jié)點(diǎn)，如今3nm 已經(jīng)離我們很近了，3nm之后的2nm，1nm還會(huì)遠(yuǎn)嗎?你認(rèn)為未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)路徑是怎樣的?