半導(dǎo)體制造的工藝節(jié)點(diǎn)，涉及到多方面的問題，如制造工藝和設(shè)備，晶體管的架構(gòu)、材料等。隨著制程的進(jìn)一步縮小，芯片制造的難度確實(shí)已經(jīng)快接近理論極限了。目前，已經(jīng)量產(chǎn)的主流先進(jìn)半導(dǎo)體制程工藝已經(jīng)來到了7nm，明年，5nm也將量產(chǎn)。

而從制程工藝的發(fā)展情況來看，一般是以28nm為分水嶺，來區(qū)分先進(jìn)制程和傳統(tǒng)制程。下面，就來梳理一下業(yè)界主流先進(jìn)制程工藝的發(fā)展情況。

28nm

由于性價(jià)比提升一直以來都被視為摩爾定律的核心意義，所以20nm以下制程的成本上升問題一度被認(rèn)為是摩爾定律開始失效的標(biāo)志，而28nm作為最具性價(jià)比的制程工藝，具有很長的生命周期。

在設(shè)計(jì)成本不斷上升的情況下，只有少數(shù)客戶能負(fù)擔(dān)得起轉(zhuǎn)向高級節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，16nm /14nm芯片的平均IC設(shè)計(jì)成本約為8000萬美元，而28nm體硅制程器件約為3000萬美元，設(shè)計(jì)7nm芯片則需要2.71億美元。IBS的數(shù)據(jù)顯示：28nm體硅器件的設(shè)計(jì)成本大致在5130萬美元左右，而7nm芯片需要2.98億美元。對于多數(shù)客戶而言，轉(zhuǎn)向16nm/14nm的FinFET制程太昂貴了。

就單位芯片成本而言，28nm優(yōu)勢明顯，將保持較長生命周期。一方面，相較于40nm及更早期制程，28nm工藝在頻率調(diào)節(jié)、功耗控制、散熱管理和尺寸壓縮方面具有明顯優(yōu)勢。另一方面，由于16nm/14nm及更先進(jìn)制程采用FinFET技術(shù)，維持高參數(shù)良率以及低缺陷密度難度加大，每個(gè)邏輯閘的成本都要高于28nm制程的。

28nm處于32nm和22nm之間，業(yè)界在更早的45nm階段引入了high-k值絕緣層/金屬柵極（HKMG）工藝，在32nm處引入了第二代 high-k 絕緣層/金屬柵工藝，這些為28nm的逐步成熟打下了基礎(chǔ)。而在之后的先進(jìn)工藝方面，從22nm開始采用FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）等。可見，28nm正好處于制程過渡的關(guān)鍵點(diǎn)上，這也是其性價(jià)比高的一個(gè)重要原因。

目前，行業(yè)內(nèi)的28nm制程主要在臺積電，GF（格芯），聯(lián)電，三星和中芯國際這5家之間競爭，另外，2018年底宣布量產(chǎn)聯(lián)發(fā)科28nm芯片的華虹旗下的華力微電子也開始加入競爭行列。

雖然高端市場會被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據(jù)，但40nm、28nm等并不會退出。如28nm~16nm工藝現(xiàn)在仍然是臺積電營收的重要組成部分，特別是在中國大陸建設(shè)的代工廠，就是以16nm為主。中芯國際則在持續(xù)提高28nm良率。

14/16nm

14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機(jī)ASIC、FPGA、汽車半導(dǎo)體等制造。對于各廠商而言，該制程也是收入的主要來源，特別是英特爾，14nm是其目前的主要制程工藝，以該公司的體量而言，其帶來的收入可想而知。而對于中國大陸本土的晶圓代工廠來說，特別是中芯國際和華虹，正在開發(fā)14nm制程技術(shù)，距離量產(chǎn)時(shí)間也不遠(yuǎn)了。

目前來看，具有或即將具有14nm制程產(chǎn)能的廠商主要有7家，分別是：英特爾、臺積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國際和華虹。

同為14nm制程，由于英特爾嚴(yán)格追求摩爾定律，因此其制程的水平和嚴(yán)謹(jǐn)度是最高的，就目前已發(fā)布的技術(shù)來看，英特爾持續(xù)更新的14nm制程與臺積電的10nm大致同級。

今年5月，英特爾稱將于第3季度增加14nm制程產(chǎn)能，以解決CPU市場的缺貨問題。

然而，英特爾公司自己的14nm產(chǎn)能已經(jīng)滿載，因此，該公司投入15億美元，用于擴(kuò)大14nm產(chǎn)能，預(yù)計(jì)可在今年第3季度增加產(chǎn)出。其14nm制程芯片主要在美國亞利桑那州及俄勒岡的D1X晶圓廠生產(chǎn)，海外14nm晶圓廠是位于愛爾蘭的Fab 24，目前還在升級14nm工藝。

三星方面，該公司于2015年宣布正式量產(chǎn)14nm FinFET制程，先后為蘋果和高通代工過高端手機(jī)處理器。目前來看，其14nm產(chǎn)能市場占有率僅次于英特爾和臺積電。

臺積電于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比，盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同，三星和英特爾是14nm，臺積電是16nm，但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代。

2018年8月，格芯宣布放棄7nm LP制程研發(fā)，將更多資源投入到12nm和14nm制程。

格芯制定了兩條工藝路線圖：一是FinFET，這方面，該公司有14LPP和新的12LPP（14LPP到7LP的過渡版本）；二是FD-SOI，格芯目前在產(chǎn)的是22FDX，當(dāng)客戶需要時(shí)，還會發(fā)布12FDX。

聯(lián)電方面，其14nm制程占比只有3%左右，并不是其主力產(chǎn)線。這與該公司的發(fā)展策略直接相關(guān)，聯(lián)電重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝，無論是8吋廠，還是12吋廠，該公司會聚焦在各種新的特殊工藝發(fā)展上。

中芯國際方面，其14nm FinFET已進(jìn)入客戶試驗(yàn)階段，2019年第二季在上海工廠投入新設(shè)備，規(guī)劃下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段，未來，其首個(gè)14nm制程客戶很可能是手機(jī)芯片廠商。據(jù)悉，2019年，中芯國際的資本支出由2018年的18億美元提升到了22億美元。

華力微電子方面，在年初的SEMICON China 2019先進(jìn)制造論壇上，該公司研發(fā)副總裁邵華發(fā)表演講時(shí)表示，華力微電子今年年底將量產(chǎn)28nm HKC+工藝，2020年底將量產(chǎn)14nm FinFET工藝。

12nm

從目前的晶圓代工市場來看，具備12nm制程技術(shù)能力的廠商很少，主要有臺積電、格芯、三星和聯(lián)電。聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進(jìn)制程工藝的研發(fā)。因此，目前來看，全球晶圓代工市場，12nm的主要玩家就是臺積電、格芯和三星這三家。

臺積電的16nm制程經(jīng)歷了16nm FinFET、16FF＋和16FFC三代，之后進(jìn)入了第四代16nm制程技術(shù)，此時(shí)，臺積電改變策略，推出了改版制程，也就是12nm技術(shù)，用以吸引更多客戶訂單，從而提升12吋晶圓廠的產(chǎn)能利用率。因此，臺積電的12nm制程就是其第四代16nm技術(shù)。

格芯于2018年宣布退出10nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)，這樣，該公司的最先進(jìn)制程就是12nm了。該公司是分兩條腿走路的，即FinFET和FD-SOI，這也充分體現(xiàn)在了12nm制程上，在FinFET方面，該公司有12LP技術(shù)，而在FD-SOI方面，有12FDX。12LP主要針對人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用，利用了格芯在紐約薩拉托加縣Fab 8的專業(yè)技術(shù)，該工廠自2016年初以來，一直在大規(guī)模量產(chǎn)格芯的14nm FinFET產(chǎn)品。

由于許多連接設(shè)備既需要高度集成，又要求具有更靈活的性能和功耗，而這是FinFET難以實(shí)現(xiàn)的，12FDX則提供了一種替代路徑，可以實(shí)現(xiàn)比FinFET產(chǎn)品功耗更低、成本更低、射頻集成更優(yōu)。

三星方面，其晶圓代工路線圖中原本是沒有12nm工藝的，只有11nm LPP。不過，三星的11 LPP和格芯的12nm LP其實(shí)是“師出同門”，都是對三星14nm改良的產(chǎn)物，晶體管密度變化不大，效能則有所增加。因此，格芯的12nm LP與三星的12nm制程有非常多的共同之處，這可能也是AMD找三星代工12nm產(chǎn)品的原因之一。

中芯國際方面，不僅14nm FinFET制程已進(jìn)入客戶風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)階段，而且在2019年第一季度，其12nm制程工藝開發(fā)進(jìn)入客戶導(dǎo)入階段，第二代FinFET N+1研發(fā)取得突破，進(jìn)度超過預(yù)期，同時(shí)，上海中芯南方FinFET工廠順利建造完成，進(jìn)入產(chǎn)能布建階段。這意味著用不了多久，一個(gè)新的12nm制程玩家將殺入戰(zhàn)團(tuán)。

10nm

到了10nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)，行業(yè)玩家就只剩下臺積電、三星和英特爾了。

總的來說，臺積電還是領(lǐng)先的，其典型產(chǎn)品就是2017年為蘋果代工的A11處理器。而三星也緊跟步伐，在10nm這個(gè)點(diǎn)，雙方的進(jìn)度相差不大，但總體水平，臺積電仍然略勝一籌。

今年，英特爾的老對手AMD打起了翻身仗，憑借臺積電代工的7nm銳龍3000系列處理器，讓AMD在CPU處理器的制程工藝上首次超越了英特爾。

而目前，英特爾的主流制程是14nm，不過，前不久傳來消息，經(jīng)過多年的攻關(guān)，該公司終于解決了10nm工藝的技術(shù)難題，已經(jīng)開始量產(chǎn)。

不過，英特爾對制程節(jié)點(diǎn)的嚴(yán)謹(jǐn)追求是很值得稱道的，從具體的性能指標(biāo)，特別是PPA和晶體管密度來看，英特爾的10nm比臺積電的10nm有優(yōu)勢。

7nm

在7nm，目前只有臺積電和三星兩家了，而且三星的量產(chǎn)時(shí)間相對于臺積電明顯滯后，這讓三星不得不越過7nm，直接上7nm EUV，這使得像蘋果、華為、AMD、英偉達(dá)這樣的7nm制程大客戶訂單，幾乎都被臺積電搶走了。在這種先發(fā)優(yōu)勢下，臺積電的7nm產(chǎn)能已經(jīng)有些應(yīng)接不暇。而在7nm EUV量產(chǎn)方面，臺積電也領(lǐng)先了一步，代工的華為麒麟990已經(jīng)商用，三星7nm EUV代工的高通新一代處理器也在生產(chǎn)當(dāng)中，估計(jì)很快就會面市了。

英特爾方面，在10nm之后，該公司稱會在2021年推出7nm工藝，據(jù)悉，其7nm工藝已經(jīng)走上正軌，功耗及性能看起來都非常好，根據(jù)之前的消息，7nm工藝會在2021年的數(shù)據(jù)中心GPU上首發(fā)。

5nm

臺積電在2018年1月就開始興建5nm晶圓廠了；除了錢、晶圓廠、光刻機(jī)之外，5nm的刻蝕機(jī)、EDA工具、客戶等也已經(jīng)陸續(xù)就位：

1）5nm刻蝕機(jī)已就位；

芯片的制造過程可以簡化成用光刻機(jī)“雕刻”圖案，用刻蝕機(jī)吹走/洗走多余的材料。相對于光刻機(jī)，刻蝕機(jī)的研發(fā)難度要小一些，但刻蝕機(jī)也是除光刻機(jī)以外最關(guān)鍵的設(shè)備。目前一臺刻蝕機(jī)單價(jià)在200萬美元左右，一個(gè)晶圓廠需要40-50臺刻蝕機(jī)。

國外刻蝕機(jī)設(shè)備廠商主要有應(yīng)用材料（Applied Materials）、科林研發(fā)（LAM） 、東京威力科創(chuàng)（TEL）、日立先端（Hitach）、牛津儀器等；國內(nèi)玩家則有中微半導(dǎo)體、北方微電子、金盛微納科技，我們跟國外的差距沒有光刻機(jī)那么大。

2018年12月，中微半導(dǎo)體的5nm等離子體刻蝕機(jī)也宣布通過臺積電驗(yàn)證，將用于全球首條5nm制程生產(chǎn)線。而在7nm時(shí)代，中微半導(dǎo)體的刻蝕機(jī)也進(jìn)入了臺積電的7nm產(chǎn)線。

2）5nm EDA工具已就位；

目前，全球幾大EDA巨頭都已經(jīng)陸續(xù)推出了5nm芯片設(shè)計(jì)工具，比如在2018年10月，新思科技宣布其數(shù)字和定制設(shè)計(jì)平臺通過了臺積電的5nm EUV工藝技術(shù)認(rèn)證。

而另一EDA巨頭華登國際創(chuàng)始人兼Cadence CEO陳立武曾經(jīng)告訴智東西，目前Cadence已經(jīng)和很多合作伙伴開始了7nm、5nm、甚至3nm芯片工藝制程的研究。比如今年年初，比利時(shí)公司Imec與Cadence就成功流片了首款3nm測試芯片。

陳立武說，現(xiàn)在5nm市場是最活躍的，有很多非常積極的公司正在安排5nm相關(guān)EDA軟件與設(shè)計(jì)、IP的協(xié)同。

3）5nm客戶已就位；

有工藝，自然也需要有市場。臺積電曾表示，目前很多客戶已經(jīng)開始基于新工藝開發(fā)芯片了。

不過由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不同，像比特大陸這種專用芯片設(shè)計(jì)起來相對容易、手機(jī)芯片次之、電腦芯片與數(shù)據(jù)中心在再次之，所以最先用上先進(jìn)的工藝的往往是專用芯片而非通用芯片，比如臺積電7nm的頭批客戶只包含了比特幣與手機(jī)芯片玩家。

而根據(jù)華為海思平臺與關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)部部長夏禹此前給出的芯片工藝路線路，華為的規(guī)劃是推出7nm芯片之后將推進(jìn)5nm芯片研發(fā)進(jìn)程，預(yù)計(jì)5nm芯片問世的時(shí)間點(diǎn)在2020年。

在7nm時(shí)代，華為和臺積電合作研發(fā)了3年，耗資3億美元，才終于在2018年拿出7nm芯片設(shè)計(jì)。

工藝越先進(jìn)，需要投入的也成本越高，這個(gè)道理在芯片代工廠跟芯片設(shè)計(jì)商同理，5nm的設(shè)計(jì)總成本（人工與許可費(fèi)）是7nm的1.5倍左右。

而根據(jù)臺積電數(shù)據(jù)，基于5nm工藝生產(chǎn)的A72芯片，芯片面積縮小了1.8倍，速度提升了14.7% -17.1%。

結(jié)語

以上，就業(yè)界已經(jīng)量產(chǎn)的主流先進(jìn)制程工藝的發(fā)展情況，以及相關(guān)廠商的進(jìn)展進(jìn)行了闡述。而更先進(jìn)的5nm、3nm、2nm等還沒有進(jìn)入量產(chǎn)階段，就不再詳述了。這些制程節(jié)點(diǎn)已經(jīng)鮮有玩家了，目前只有臺積電和三星這兩家，臺積電稱將于明年量產(chǎn)5nm，而三星似乎要越過5nm，直接上3nm,我們拭目以待