近日,一則消息十分引人關注。高通最新發(fā)布旗下第三代5G基帶芯片骁龍X60,該芯片將(jiāng)采用三星5納米工藝進(jìn)行代工生産。這(zhè)使得三星在與台積電的代工大戰中,搶下一個重要客戶的訂單,同時也將(jiāng)摩爾定律推進(jìn)到5納米節點。2020年之初,全球半導體龍頭大廠在先進(jìn)工藝競争上的火藥味就已經(jīng)十分濃重。
“3+1”的參與者
5G的落地、人工智能(néng)的發(fā)展,無不需要應用到半導體芯片。這(zhè)在提升市場規模的同時,也對(duì)半導體技術提出了更大挑戰。半導體制造企業不得不朝着更加尖端的工藝節點7納米/5納米/3納米演進(jìn)。事(shì)實上,沿着摩爾定律能(néng)夠持續跟進(jìn)半導體工藝尺寸微縮的廠家數量已經(jīng)越來越少,在這(zhè)個領域競争的廠商主要就是三星、台積電和英特爾三家。此外,中國(guó)大陸晶圓代工廠中芯國(guó)際也在推進(jìn)當中。因此,參與先進(jìn)工藝之争的也就隻有這(zhè)樣“三大一小”幾家公司。
先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)量産的成(chéng)功與否對(duì)于半導體巨頭來說意義十分重大。台積電2019年第四季度财報實現營收3170億元新台币。按工藝水平劃分,7納米工藝技術段占公司收入的35%,10納米爲1%,16納米爲20%,合計16納米及以下先進(jìn)工藝産品收入已經(jīng)占到56%。台積電CEO魏哲家表示,采用先進(jìn)工藝的5G和HPC産品是台積電的長(cháng)期主要增長(cháng)動力,并預計2020年5G智能(néng)手機在整個智能(néng)手機市場的普及率爲10%左右。
正因如此,半導體龍頭大廠無不極爲重視先進(jìn)工藝的投資與開(kāi)發(fā)。2月20日,三星宣布韓國(guó)華城工業園一條專司EUV(極紫外光刻)技術的晶圓代工生産線V1實現量産。據了解,V1生産線于2018年2月動工,2019年下半年開(kāi)始測試晶圓生産,首批産品今年第一季度向(xiàng)客戶交付。目前,V1已經(jīng)投入7納米和6納米 EUV移動芯片的生産工作,規劃未來可以生産3納米的産品。三星制造業務總裁ES Jung稱,V1産線將(jiāng)和S3生産線一道(dào),幫助公司拓展客戶,響應市場需求。
台積電對(duì)先進(jìn)工藝的開(kāi)發(fā)同樣重視。在2020年1月召開(kāi)的法說會上,台積電表示將(jiāng)增加2020年的資本支出,從原訂的110億美元,上修至140億美元~150億美元,其中80% 將(jiāng)投入先進(jìn)工藝産能(néng)的擴增,包括7納米、5納米及3納米等。而日前業内也傳出“英特爾將(jiāng)提前進(jìn)行7納米投資”的消息,英特爾2020年的設備投資計劃,不僅要增加現有14/10納米工藝的産能(néng),還(hái)要對(duì)7/5納米工藝進(jìn)行投資。在2019年财報中,英特爾表示2020年計劃的資本支出約爲170億美元。
根據中芯國(guó)際财報,2019年第四季度14納米工藝已經(jīng)量産,并帶來了768萬美元的營收。在該次财報會議上,中芯國(guó)際聯席CEO梁孟松也首次公開(kāi)了中芯國(guó)際的N+1、N+2工藝的情況。中芯國(guó)際的N+1工藝和現有的14納米工藝相比,性能(néng)提升了20%,功耗降低了57%,邏輯面(miàn)積縮小了63%,SoC面(miàn)積減少了55%。
5納米/6納米將(jiāng)成(chéng)今年競争焦點
如果說2019年先進(jìn)工藝的競争重點是7納米+EUV光刻工藝,那麼(me)2020年焦點將(jiāng)轉到5納米節點上。在高通發(fā)布X60基帶芯片之後(hòu),路透社便援引兩(liǎng)名知情人士消息報道(dào),三星的半導體制造部門赢得了高通的最新合同,將(jiāng)使用5納米工藝技術生産新發(fā)布的芯片。對(duì)此,有業内人士指出,三星EUV産線的投産以及成(chéng)功交付高通全球首個5納米産品骁龍X60基帶芯片,都(dōu)將(jiāng)給台積電帶來一定壓力。
此前三星在先進(jìn)工藝方面(miàn)與台積電的競争并不順利。2018年三星選擇了跳過(guò)LPE低功耗階段,直接進(jìn)入7納米 EUV的大膽策略,意圖在工藝技術上搶占先機。但是新工藝的良品率一直不高,使得大膽策略沒(méi)有奏效。而台積電仍采用傳統多次曝光技術,先行占領市場,取得了幾乎100%的7納米市場。不過(guò)三星顯然并沒(méi)有放棄對(duì)先進(jìn)工藝市場的開(kāi)發(fā)與争奪。2020年三星再次將(jiāng)重點轉移到5納米之上,顯然是有意再次向(xiàng)台積電發(fā)起(qǐ)挑戰。在1月份的投資者電話會議上,當被問及三星將(jiāng)如何與台積電競争時,三星晶圓高級副總裁Shawn Han表示,公司計劃通過(guò)“多元化客戶應用”來擴大5納米芯片産量。按照三星此前發(fā)布的工藝規劃,5納米工藝在2019年4月份開(kāi)發(fā)完成(chéng),下半年實現首次流片,在2020年實現量産。
台積電對(duì)于5納米也同樣重視。根據台積電此前的披露,5納米工藝2019年上半年導入試産,2020年上半年實現量産。台積電5納米投資250億美元,月産能(néng)5萬片,之後(hòu)再擴充至7萬~8萬片。根據設備廠商消息,下半年台積電5納米接單已滿,除蘋果新一代A14應用處理器外,還(hái)包括華爲海思新款麒麟芯片等。即使是三星已經(jīng)拿下高通5納米訂單,也不代表台積電就會失去高通的訂單。事(shì)實上,高通一直以來就是把晶圓代工訂單交由台積電和三星等多家廠商生産的。此外,台積電還(hái)規劃了一個5納米工藝的加強版,有點像7納米節點的N7+。資料顯示,5納米加強版在恒定功率下可提高7%的性能(néng),降低15%的功率。預計該工藝平台將(jiāng)在2021年量産。
6納米是今年競争的另一個重點。紫光展銳最新發(fā)布的5G芯片虎贲T7520就采用了台積電的6納米工藝,相較7納米工藝,晶體管密度提升18%,功耗下降8%。根據台積電中國(guó)區業務發(fā)展副總經(jīng)理陳平的介紹,6納米是7納米的延伸和擴展。台積電于2018年量産7納米工藝,2019年量産7納米+EUV的升級版,在芯片的部分關鍵層生産中導入EUV設備,從而減少光罩的采用,降低成(chéng)本,提高制造效率。6納米工藝平台則是7納米工藝的另一個升級版。由于它可以利用7納米的全部IP,此前采用7納米的客戶可以更加便捷地導入,在提高産品性能(néng)的同時兼顧了成(chéng)本。
3納米或需探索新的工藝架構
3納米有可能(néng)是半導體大廠間先進(jìn)工藝之争的下一個重要節點。半導體專家莫大康指出,真正發(fā)生重大變革的是3納米,因爲從3納米開(kāi)始半導體廠商會放棄FinFET架構轉向(xiàng)GAA晶體管。
莫大康表示,市場預測5納米可能(néng)與10納米相同,是一個過(guò)渡節點,未來將(jiāng)迅速轉向(xiàng)3納米。但是現在半導體公司采用的FinFET架構已不再适用3納米節點,需要探索新的工藝架構。
也就是說,在這(zhè)個技術岔道(dào)口,三星有可能(néng)對(duì)台積電發(fā)起(qǐ)更強力的挑戰。三星在“2019三星代工論壇”(Samsung Foundry Forum 2019)上,曾發(fā)布新一代閘極環栅(GAA,Gate-All-Around)工藝。因此,外界預計三星將(jiāng)在3納米節點使用GAA環栅架構工藝。三星電子的半導體部門表示,基于GAA工藝的3納米芯片面(miàn)積可以比最近完成(chéng)開(kāi)發(fā)的5納米産品面(miàn)積縮小35%以上,耗電量減少50%,處理速度可提高30%左右。
台積電則在2018年宣布投資6000億元新台币,興建3納米工廠,計劃在2020年動工,最快于2022年年底開(kāi)始量産。在2019年第一季度的财報法說會上,台積電曾披露其3納米技術已經(jīng)進(jìn)入全面(miàn)開(kāi)發(fā)階段。不過(guò)到目前爲止,台積電仍未公開(kāi)其3納米節點的工藝路線。外界估計,台積電有可能(néng)要在今年4月29日舉行的“北美技術論壇”上才會公布3納米的細節。屆時,台積電與三星的3納米工藝之争將(jiāng)會進(jìn)入一個新的階段。