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)。這使得三星在與臺積電的代工大戰(zhàn)中，搶下一個重要客戶的訂單，同時也將摩爾定律推進(jìn)到5納米節(jié)點。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，也對半導(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)點演進(jìn)。事實上，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，在這個領(lǐng)域競爭的廠商主要就是三星、臺積電和英特爾三家。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)的成功與否對于半導(dǎo)體巨頭來說意義十分重大。對于臺積電，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16nm及以下先進(jìn)工藝產(chǎn)品收入已經(jīng)占到56%。臺積電CEO魏哲家表示，采用先進(jìn)工藝的SCJ和HPC是臺積電的長期主要增長動力。

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實現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)了解，Vl生產(chǎn)線于2018年2月動工，2019年下半年開始測試晶圓生產(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移動芯片的生產(chǎn)工作，規(guī)劃未來可以生產(chǎn)3nm的產(chǎn)品。

臺積電對先進(jìn)工藝的開發(fā)同樣重視。據(jù)悉，臺積電將增加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年財報中，英特爾表示2020年計劃的資本支出約為170億美元。

根據(jù)中芯國際財報，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。在該次財報會議上，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

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

如果說2019年先進(jìn)工藝的競爭重點是7nm+ EUV光刻工藝，那么2020年焦點將轉(zhuǎn)到Snm節(jié)點上。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5納米產(chǎn)品驍龍X60基帶芯片，都將給臺積電帶來一定壓力。

此前三星在先進(jìn)工藝方面與臺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，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先進(jìn)工藝市場的開發(fā)與爭奪。公司計劃通過“多元化客戶應(yīng)用”來擴大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，下半年實現(xiàn)首次流片，在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)。

臺積電對于Snm也同樣重視。根據(jù)臺積電此前的披露，5nm工藝2019年上半年導(dǎo)入試產(chǎn)，2020年上半年實現(xiàn)量產(chǎn)。臺積電5nm投資250億美元，月產(chǎn)能5萬片，之后再擴充至7萬～8萬片。根據(jù)設(shè)備廠商消息，下半年臺積電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，也不代表臺積電就會失去高通的訂單。事實上，高通一直以來就是把晶圓代工訂單交由臺積電和三星等多家廠商生產(chǎn)的。此外，臺積電還規(guī)劃了一個5nm工藝的加強版，有點像7nm節(jié)點的N7+。資料顯示，5nm加強版在恒定功率下可提高7%的性能，降低15%的功率。預(yù)計該工藝平臺將在2021年量產(chǎn)。

6nm是今年競爭的另一個重點。紫光展銳最新發(fā)布的5G芯片虎賁T7520就采用了臺積電的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的延伸和擴展。6nm工藝平臺是7nm工藝的另一個升級版。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)品性能的同時兼顧了成本。

3nm走向值得關(guān)注

5nm可能與10nm相同，是一個過渡節(jié)點，未來將迅速轉(zhuǎn)向3nm。但是3nm節(jié)點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)工藝之爭的下一個重要節(jié)點。半導(dǎo)體專家莫大康指出，真正發(fā)生重大變革的是3nm，因為從3nm開始半導(dǎo)體廠商會放棄FinFET架構(gòu)轉(zhuǎn)向GAA晶體管。

莫大康表示，市場預(yù)測5nm可能與lOnm相同，是一個過渡節(jié)點，未來將迅速轉(zhuǎn)向3nm。但是3nm節(jié)點現(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，在這個技術(shù)岔道口，三星有可能對臺積電發(fā)起更強力的挑戰(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)計三星將在3nm節(jié)點使用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。

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