微米和纳米科技材料

6纳米、5纳米、3纳米,相煎何太急?

晶圆代工界刚从争夺7纳米制程的战争中回过神来,6纳米、5纳米、3纳米的战斗已经随之打响。

随着5G、AI这些市场的急剧扩大,芯片产业对于制程工艺的追逐可以说是永无止境。那么,为何现在这几个制程工艺的进展会如此激烈且迅猛呢?大家都是为什么在焦虑?

虽然新冠肺炎疫情导致市场开始保守看待半导体生产链第二季营运表现,但晶圆代工龙头台积电5纳米制程仍如期在第二季进入量产,高通最新发布旗下第三代5G基带芯片骁龙X60,该芯片将采用三星5纳米工艺进行代工生产。这使得三星在与台积电的代工大战中,抢下一个重要客户的订单,同时也将摩尔定律推进到5纳米节点。2020年之初,全球半导体龙头大厂在先进工艺竞争上的火药味就已经十分浓重。

6纳米、5纳米、3纳米,相煎何太急?

5nm/6nm将成今年竞争焦点

如果说2019年先进工艺的竞争重点是7nm+EUV光刻工艺,那么2020年焦点将转到5nm节点上。在高通发布X60基带芯片之后,路透社便援引两名知情人士消息报道,三星的半导体制造部门赢得了高通的最新合同,将使用5nm工艺技术生产新发布的芯片。对此,有业内人士指出,三星EUV产线的投产以及成功交付高通全球首个5纳米产品骁龙X60基带芯片,都将给台积电带来一定压力。

台积电对于5nm也同样重视。根据台积电此前的披露,5nm工艺2019年上半年导入试产,2020年上半年实现量产。台积电5nm投资250亿美元,月产能5万片,之后再扩充至7万~8万片。根据设备厂商消息,下半年台积电5nm接单已满,除苹果新一代A14应用处理器外,还包括华为海思新款麒麟芯片等。即使是三星已经拿下高通5nm订单,也不代表台积电就会失去高通的订单。事实上,高通一直以来就是把晶圆代工订单交由台积电和三星等多家厂商生产的。此外,台积电还规划了一个5nm工艺的加强版,有点像7nm节点的N7+。资料显示,5nm加强版在恒定功率下可提高7%的性能,降低15%的功率。预计该工艺平台将在2021年量产。

6nm是今年竞争的另一个重点。紫光展锐最新发布的5G芯片虎贲T7520就采用了台积电的6nm工艺,相较7nm工艺,晶体管密度提升18%,功耗下降8%。台积电于2018年量产7nm工艺。2019年量产7nm+EUV的升级版,在芯片的部分关键层生产中导入EUV设备,从而减少光罩的采用,降低成本,提高制造效率。6nm工艺平台则是7nm工艺的另一个升级版。由于它可以利用7nm的全部IP,此前采用7nm的客户可以更加便捷地导入,在提高产品性能的同时兼顾了成本。

3nm走向值得关注

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3nm有可能是半导体大厂间先进工艺之争的下一个重要节点。半导体专家莫大康指出,真正发生重大变革的是3nm,因为从3nm开始半导体厂商会放弃FinFET架构转向GAA晶体管。

在这个技术岔道口,三星有可能对台积电发起更强力的挑战。此前,三星曾发布新一代闸极环栅(GAA,Gate-All-Around)工艺。因此,外界预计三星将在3nm节点使用GAA环栅架构工艺。三星电子的半导体部门表示,基于GAA工艺的3nm芯片面积可以比最近完成开发的5纳米产品面积缩小35%以上,耗电量减少50%,处理速度可提高30%左右。

台积电则在2018年宣布投资6000亿元新台币,兴建3nm工厂,计划在2020年动工,最快于2022年年底开始量产。在2019年第一季度的财报法说会上,台积电曾披露其3nm技术已经进入全面开发阶段。不过到目前为止,台积电仍未公开其3nm节点的工艺路线。外界估计,台积电有可能要在今年4月29日举行的“北美技术论坛”上才会公布3nm的细节。届时,台积电与三星的3nm工艺之争将会进入一个新的阶段。

结语:从7纳米到6纳米、5纳米以及3纳米,晶圆大厂们对工艺的无止境追求,实际上是竞争的压力使然。从2010年首次诞生10纳米制程芯片,到2018年首次诞生7纳米的苹果A12 Bionic 芯片,业界用了将近8年的时间。而现在从7纳米到5纳米乃至3纳米,也就在3年左右的时间,跨域了三个世代。

硅材料的半导体制程进化之路,将来该怎么走?谁也没有答案。

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