日前，據(jù)ANANDTECH報道，臺積電上周表示，“在3nm上，技術(shù)開發(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)展我們在未來的領(lǐng)導(dǎo)地位”，看來，臺積電的制造技術(shù)已經(jīng)脫離了尋路模式，而且開始與早期客戶合作。

在臺積電加速前進(jìn)的同時，另一邊廂三星也在快馬加鞭，晶圓代工的雙雄爭霸時代正式開啟。

臺積電的銜枚疾走

由于其3nm技術(shù)尚處于早期開發(fā)階段，因此臺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。但事實上，臺積電已經(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。臺積電表示，公司已經(jīng)評估了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，在臺積電召開第一季度財報會議中，臺積電指出3nm技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入全面開發(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)用將是云計算，人工智能和5G。蘋果，華為，谷歌和Nvidia可能成為臺積電新芯片的潛在客戶。

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

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

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

2019年7月，***相關(guān)部門發(fā)表公告指出，他們已經(jīng)審議通過臺積電3 納米寶山廠都市計劃變更案件，對于臺積電預(yù)計投資超過六千億元興建3 納米寶山廠。這加速了臺積電的工廠建設(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、臺積電、英特、GlobalFoundries、聯(lián)電等，然而早在2018年8月13日***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項目。至此，7nm以下的角逐場中僅剩下了英特爾、三星和臺積電。

因為英特爾主要是一個IDM，那就意味著現(xiàn)在能與臺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。三星不能忍受臺積電在晶圓代工領(lǐng)域獨自稱霸，希望在臺積電吞噬的代工蛋糕中分得更大的一塊。目前，臺積電占據(jù)了約50%的合同制造市場，而三星則以略低于15%的份額落后。

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

韓國聯(lián)合通訊社報道指出，2019年5月，在圣克拉拉的三星鑄造論壇上，三星邀請了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)體制造工藝的計劃。最大的宣布是三星的3nm GAA的發(fā)展，柵極全能場效應(yīng)晶體管GAAFET（Gate-All-Around）是三星與IBM合作開發(fā)的工藝節(jié)點，也一度被三星認(rèn)為是FinFET的繼任者。現(xiàn)在三星宣布了對早期工藝的定制，已將其注冊為MBCFET（多橋通道FET）。不過三星的3nm制程將使用GAA技術(shù)，并推出MBCFET，目的都是為了確保3nm的實現(xiàn)。

根據(jù)三星的說法，它可以通過用納米片取代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)計將改善工藝的開關(guān)行為，并允許處理器將工作電壓降低到0.75V以下。MBCFET關(guān)鍵點是，該工藝完全兼容FinFET設(shè)計，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％，這一過程還將比目前高端設(shè)備的性能節(jié)點提高40%。

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

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

三星一直以來都擁有強(qiáng)大的研究基礎(chǔ)，而現(xiàn)在所有這一切都在通過他們的新技術(shù)推動市場的發(fā)展，這項新技術(shù)將在2021年開始進(jìn)入市場。咨詢公司International Business的首席執(zhí)行官認(rèn)為：“三星強(qiáng)大的材料研究計劃正在取得成功，三星在GAA中領(lǐng)先于臺積電大約12個月，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，而三星則希望借助GAA工藝開發(fā)2nm工藝，未來甚至要實現(xiàn)1nm工藝。

據(jù)手機(jī)晶片大人分享，臺積電5nm全光罩流片費用大概要3億元，這還不含ip授權(quán)。半導(dǎo)體芯片的設(shè)計費用包含IP、Architecture、檢查、物理驗證、軟件、試產(chǎn)品制作等。據(jù)IBS稱，設(shè)計3nm器件的成本從5億美元到15億美元不等，而工藝開發(fā)成本從40億美元到50億美元不等，工廠的開發(fā)成本在150億到200億美元之間，所以我們也看到臺積電斥資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)計將比5nm高出20％至25％，”IBS'Jones說。

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

國內(nèi)廠商任重道遠(yuǎn)

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

2017年10月，曾任職臺積電研發(fā)部門領(lǐng)頭人的梁孟松博士加入中芯國際，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月中芯國際采用內(nèi)部開發(fā)的14納米FinFET制造技術(shù)開始批量生產(chǎn)。值得注意的是，這至少比最初的預(yù)期提前了幾個季度，表明中芯國際顯然提前了。而且據(jù)悉中芯國際14nm的產(chǎn)量已達(dá)到95％，足以開始大規(guī)模生產(chǎn)。

在過去的14nm工藝中，中芯國際已經(jīng)開始研究其10nm和7nm工藝，正如公司在2018年所證實的那樣。這兩種工藝設(shè)計成本極高，但由于半導(dǎo)體工業(yè)總體上正在發(fā)展，中芯國際這幾年也在加緊布局。2018年中芯國際以1.2億美元的價格從ASML購買了EUV極紫外光刻機(jī)，用于7納米工藝開發(fā)并最終大規(guī)模生產(chǎn)。事實上，在國際高端手機(jī)行列，無論是華為麒麟系列、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報道，“中芯國際正在籌集100億美元用于14nm，10nm和7nm的擴(kuò)產(chǎn)。國際商業(yè)戰(zhàn)略（IBS）首席執(zhí)行官亨德爾·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。

中芯國際的聯(lián)席首席執(zhí)行官梁博士針對第一季度的財報也說講到：“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，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，中芯國際的FinFET Fab的建設(shè)已經(jīng)成功完成，我們已經(jīng)開始進(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)對不斷變化的行業(yè)環(huán)境。”

如今，中芯國際14nm，12nm工藝開發(fā)也已經(jīng)進(jìn)入到客戶導(dǎo)入階段，下一代FinFET研發(fā)在過去積累的基礎(chǔ)上進(jìn)度喜人。與三星、臺積電相比，中芯國際作為后來者確實在制程上相對落后，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，該比例為16.52%，是臺積電的一倍。

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，花費的時間越多，在3nm 的領(lǐng)地中，中芯國際作為大陸最大的代工廠，任重道遠(yuǎn)，未來可期。

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，如今3nm 已經(jīng)離我們很近了，3nm之后的2nm，1nm還會遠(yuǎn)嗎？你認(rèn)為未來半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)路徑是怎樣的？

3nm的困難重重

玩芯片，不但要有技術(shù)，還要有錢。由于每個新節(jié)點的優(yōu)勢已經(jīng)縮小，采用成本增加，半導(dǎo)體行業(yè)在過去幾年中越來越難以提供新的工藝節(jié)點。臺積電，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）引入即將到來的工藝節(jié)點，因為不使用EUV 的成本已經(jīng)變得不可持續(xù)。

雖然預(yù)計EUV會通過減少每個設(shè)計所需的掩模數(shù)量來降低制造處理器的成本，但它并無法降低芯片設(shè)計的成本，而且芯片設(shè)計成本上升得如此之快。

國際商業(yè)戰(zhàn)略（IBS）的下圖顯示了5納米的預(yù)期設(shè)計成本，3納米數(shù)據(jù)點尚未出現(xiàn)在圖表中。將“16nm”色譜柱視為迄今為止我們在市場上看到的各種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)計成本也增加了兩倍。但是從7納米移動到3納米將意味著將成本提高5倍。

本文來自半導(dǎo)體行業(yè)觀察，本文作為轉(zhuǎn)載分享。