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臺積電、英特爾、三星的納米制程之爭

2018-10-25
作者:王偉

  隨著格羅方德無限期退出7nm及以下工藝研發,全球有能力研發先進工藝的只剩下臺積電英特爾和三星。過去幾十年里,英特爾依循摩爾定律,在制程工藝技術上一路領先,但是10nm工藝遲遲難產,近期宣告將延期到明年底。反觀競爭對手三星和臺積電,在14/16nm節點之后好像開掛一樣,10nm工藝都已經量產商用,其中臺積電更是拿下了華為麒麟970、蘋果A11,三星則搞定了高通驍龍845。最近也相繼曝光7nm工藝研制成功。這是否意味著半導體代工市場新格局已定?英特爾真的沒機會逆襲了嗎?

  在回答這個問題之前,讓我們來深究一下三大代工廠的最新進展。

  臺積電:率先量產 一路領先

  臺積電方面日前表示7nm制程的芯片已開始量產,同時5nm制程將會在2019年年底或2020年年初投入量產。目前蘋果的A12及華為海思麒麟980處理器,都是由臺積電的7納米制程所生產。除了移動處理器之外,AMD的7納米制程CPU及GPU,聯發科的5G基帶芯片和高通英偉達的產品也都將使用臺積電的7納米高效能制程,預計在今年年底之前,用上臺積電7nm工藝制程的芯片將會超過50款。據臺積電公布的數據,今年9月份營收949.22億新臺幣,環比增長4.2%,同比增長了7.2%,是近年來單月第二高水平。可以說在7nm制程上,臺積電比三星、英特爾都要搶先一步。

  不僅如此,臺積電還規劃了5nm以及3nm工藝,其中5nm工藝投資計劃超過250億美元,預計2019年試產,2020年量產,而3nm工藝計劃投資約為200億美元,2020年開始建廠,2021年完成設備安裝,預計2022年底到2023年初量產。

  三星:激進派的代表

  作為芯片代工行業的后來者,三星是“全球IBM制造技術聯盟”中激進派的代表,早早就宣布了7nm時代將采用EUV。今年4月,三星剛剛宣布已經完成了7nm新工藝的研發,并成功試產了7nm EUV晶元,比原進度提早了半年。在2018年年會上,三星官方宣稱高通驍龍5G SoC采用的正是三星7nm LPP工藝,同時表示,基于EUV技術的7nm制程工藝會在接下來幾個季度內大規模量產(初期EUV僅用于選擇層)。

  除了一步到位的7nm EUV外,三星還規劃了一種8nm制程。這個制程實際上是使用DUV光刻+多重曝光生產的7nm制程,繼承所有10nm工藝上的技術和特性。由于DUV光刻的分辨率較差,因而芯片的電氣性能不如使用7nm EUV,所以三星為其商業命名為8nm。從這一點來看,8nm相比現有的10nm,很可能在晶體管密度、性能、功耗等方面做出了終極的優化,基本上可看做深紫外光刻下的技術極限了。

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  三星將FinFET技術的極限發揮到5nm LPE和4nm LPP,計劃2019年風險試產。不過到了3nm時代,芯片越做越小,電流信道寬度不斷變窄,難以控制電流方向,三星提出了GAAFET方案,定于2020年早些時候試產。

  英特爾:追求真正的7nm

  在英特爾看來,在一個固定的芯片面積上,能夠塞進更多的晶體管,則意味著擁有更多的特性和功能,而不是一味的追求新一代工藝制程。在英特爾看來,競爭對手臺積電、三星只是鉆了工藝命名的空子。

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  在一次活動上,英特爾曾史無前例地從鰭片間距、柵極間距、最小金屬間距、邏輯單元高度、邏輯晶體管密度等技術指標出發,直接給出數據列表進行對比,以此表明英特爾的14nm生產工藝與三星目前的10nm生產工藝相當,而英特爾的10納米則要領先臺積電、三星等其他10nm整整一代--也就是3年時間。。

  據《天下》10 月初在美國采訪一位不愿具名的英特爾董事會成員表示,根據原始的摩爾定律,每個新技術世代的電路密度應該是前一代的兩倍,但臺積電卻「投機取巧」。 根據官方數據,臺積電 7 奈米的邏輯電路密度只達到前一代 10 奈米制程的 1.6 倍。而英特爾希望滿足最嚴苛的摩爾定律,大幅縮小晶體管體積的同時,還在制程導入全新材料,希望一步到位,實現真正的7nm。

  英特爾曾在 2017 年的美國 IEDM 研討會上宣布將部分導線層材料從原先的銅換成鈷,周邊的低介電材質也將更換,可以大幅提升性能及耐用度。結果,英特爾「雙管齊下」策略的量產難度比預期高上許多,導致預定時程一再跳票,反而落后臺積電。

  一位外資分析師也證實此事。 他表示,英特爾一開始訂的微縮倍率甚至略高于兩倍,但因為屢試不成,最近已經將標準放寬,因此傳出可能提早在明年中量產。 但產品的性能可能僅與臺積電 7nm接近。

  然而,一旦英特爾度過難關,因為已經過導入新材料的學習曲期,下一代產品仍有可能反敗為勝,這位英特爾董事透露英特爾7nm會比臺積電5nm強很多。


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