INTEL不服，3納米真的是3納米？

汽車芯片短缺造成焦頭爛額之際，臺(tái)積電（TSMC）與三星電子的3納米芯片制程大戰(zhàn)卻到了緊要關(guān)頭。

近日，有外媒報(bào)道臺(tái)積電再次發(fā)布提升3納米工藝產(chǎn)能的消息。作為蘋果主要芯片供應(yīng)商，臺(tái)積電有望在今年下半年開始3納米工藝芯片的試生產(chǎn)。

實(shí)際上，去年年中的時(shí)候，臺(tái)積電已經(jīng)宣布過計(jì)劃提升3納米工藝產(chǎn)能，2022年中將3納米工藝的月產(chǎn)能提升到5.5萬(wàn)塊，并在2023年將產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)大到10.5萬(wàn)塊。與此同時(shí)，臺(tái)積電還計(jì)劃在今年內(nèi)擴(kuò)大5納米芯片的產(chǎn)能，以滿足其主要客戶日益增長(zhǎng)的需求。

與5納米工藝芯片相比，3納米芯片在功耗和性能方面分別提升30%和15%。這是科技公司們排隊(duì)等待臺(tái)積電晶圓的原因之一。不過，我們還是要問，這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的制程極限在哪里？

3納米的極限

晶圓真的是門好生意。據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights估計(jì)，2020年臺(tái)積電每片晶圓的營(yíng)收達(dá)1,634美元，居同業(yè)之冠。臺(tái)積電較格羅方德984美元高約66%，也比中芯684美元及聯(lián)電675美元高出1倍以上。

由于臺(tái)積電去年是全球獨(dú)家能同時(shí)量產(chǎn)7納米與5米工藝晶圓的代工廠，據(jù)IC Insights估計(jì)，有16 家年?duì)I收超過10億美元IC設(shè)計(jì)廠排隊(duì)，等待臺(tái)積電的新產(chǎn)品，這也推升了其晶圓的營(yíng)收暴增。

除了5納米，臺(tái)積電即將發(fā)力的是最先進(jìn)的3納米制程工藝。實(shí)際上，早在2017年9月29日，臺(tái)積電宣布未來(lái)3納米（nm）制程晶圓廠，落腳臺(tái)灣臺(tái)南市的南部科學(xué)工業(yè)園區(qū)（簡(jiǎn)稱“南科”），當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)最快2022年量產(chǎn)。

目前，臺(tái)積電在南科有3座晶圓廠，分別是晶圓14廠、晶圓18廠和晶圓6廠。其中，14廠和18廠是12英寸晶圓，6廠是8英寸晶圓。而晶圓18廠是5納米制程的主要生產(chǎn)基地。臺(tái)積電3納米制程的晶圓廠，也建在18廠內(nèi)。

2020年一季度，臺(tái)積電宣布3納米制程將在2021年試產(chǎn)，并在2022下半年正式量產(chǎn)，如今宣布提升產(chǎn)能，一方面是需求的強(qiáng)力推動(dòng)，另一方面也是技術(shù)方面的不斷提升。而從技術(shù)的投入來(lái)說(shuō)，臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音曾經(jīng)表示，為了3納米制程技術(shù)，臺(tái)積電于南科廠的累計(jì)投資將超過新臺(tái)幣2萬(wàn)億元（約4630億元人民幣）。

在向3納米跑步前進(jìn)的道路上，臺(tái)積電的對(duì)手三星，2019年5月就表示其3納米預(yù)計(jì)2021年推出（2020年試產(chǎn)）。而INTEL預(yù)計(jì)2025年才能推出（老實(shí)人啊，不玩數(shù)字游戲）。只是后來(lái)由于2020年的疫情影響，三星的3納米制程推出時(shí)間延后到了2022年。

而說(shuō)到INTEL，對(duì)于臺(tái)積電的10納米及以下的工藝說(shuō)法是頗有微詞的，INTEL認(rèn)為臺(tái)積電和三星在偷換概念。因?yàn)?，業(yè)內(nèi)講的“制程工藝就是柵極的寬度”，在節(jié)點(diǎn)技術(shù)不斷推進(jìn)的過程中，制程工藝的數(shù)字已經(jīng)和柵極的實(shí)際寬度發(fā)生了偏離。也就是，柵極實(shí)際寬度越來(lái)越達(dá)不到制程工藝說(shuō)的那個(gè)數(shù)字。

所以，這一切都變成了營(yíng)銷游戲。自從三星開了這個(gè)壞的頭，臺(tái)積電也這么玩了。2019年，臺(tái)積電研發(fā)負(fù)責(zé)人黃漢森也曾坦承，“現(xiàn)在描述工藝水平的 XXnm 說(shuō)法已經(jīng)不科學(xué)，因?yàn)樗c晶體管柵極已經(jīng)不是絕對(duì)相關(guān)，制程節(jié)點(diǎn)已經(jīng)變成了一種營(yíng)銷游戲，與科技本身的特性沒什么關(guān)系?！?/p>

不過這個(gè)游戲還是得進(jìn)行下去。而根據(jù)IEEE的國(guó)際裝置與系統(tǒng)發(fā)展路線圖2017預(yù)計(jì)，3納米制程將在2024年量產(chǎn)，后繼者是2.1納米（2027）、1.5納米（2030）和1納米（2033）。臺(tái)積電和INTEL皆規(guī)劃以2納米作為接續(xù)3納米的制程，臺(tái)積電預(yù)計(jì)2024年量產(chǎn)，INTEL預(yù)計(jì)2027年推出。

你可以看到，INTEL的2025年量產(chǎn)3納米相對(duì)來(lái)說(shuō)似乎更真實(shí)點(diǎn)。而從摩爾定律的發(fā)展終極來(lái)講，INTEL的路線圖以1.4納米（2029年）作為2納米的繼承者，臺(tái)積電亦表示后續(xù)會(huì)發(fā)展至1納米。不管怎么說(shuō)，這場(chǎng)燒錢、燒技術(shù)的“微觀”大戰(zhàn)，還要拼很久。

3納米用GAA

我們從技術(shù)來(lái)說(shuō)說(shuō)未來(lái)即將發(fā)生的變化。臺(tái)積電的3納米制程將繼續(xù)采用FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。而三星則是直接采用GAA（Gate-All-Around FET，全環(huán)繞式結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。不過，臺(tái)積電去年也正式宣布，將在2納米節(jié)點(diǎn)引入GAA技術(shù)。

那么說(shuō)到FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管），就得說(shuō)到半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展史，其本質(zhì)其實(shí)就是晶體管尺寸的縮小史。從上世紀(jì)七十年代的10微米節(jié)點(diǎn)開始，半導(dǎo)體的發(fā)展一直遵循著摩爾定律。

在發(fā)展的過程中，自從22納米節(jié)點(diǎn)上被英特爾首次采用，F(xiàn)inFET在過去的十年里成了成為了半導(dǎo)體器件的主流結(jié)構(gòu)。不過，到了5納米節(jié)點(diǎn)之后，鰭式結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難滿足晶體管所需的靜電控制，漏電現(xiàn)象在尺寸進(jìn)一步縮小的情況下急劇惡化。臺(tái)積電非常明白這種境況。

因此，半導(dǎo)體行業(yè)也需要一個(gè)新的解決方案。正是基于這一原因，GAA被廣泛認(rèn)為是鰭式結(jié)構(gòu)的下一代接任者。當(dāng)然，不管是先前的MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、當(dāng)下的FinFET還是未來(lái)的GAA，雖然形狀和材料發(fā)生了變化，但說(shuō)到底都是場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET，F(xiàn)ield-Effect Transistor）。

2019年，在三星晶圓制造論壇（Samsung Foundry Forum）上，三星明確表示將會(huì)在3納米節(jié)點(diǎn)放棄鰭式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向GAA技術(shù)。這場(chǎng)大戰(zhàn)在3納米節(jié)點(diǎn)上即將爆發(fā)。

此外，目前英特爾仍然受困于7納米技術(shù)難產(chǎn)，尚未給出何時(shí)引入GAA的具體計(jì)劃。但英特爾的首席技術(shù)官麥克邁克·梅伯里博士曾在去年表示希望能在五年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)GAA技術(shù)的量產(chǎn)。不過，雖說(shuō)目前臺(tái)積電氣勢(shì)如虹，但要說(shuō)INTEL就“弱雞”了，還是很不恰當(dāng)。

還有一個(gè)關(guān)于未來(lái)技術(shù)走向的問題是，根據(jù)當(dāng)前預(yù)計(jì)，水平方向上的GAA足以維持柵線的周期從54納米縮減到30~40納米左右（2~3代節(jié)點(diǎn)）。但是，此后晶體管的發(fā)展，則充滿了挑戰(zhàn)與不確定性。

而目前已知的幾種備選方案中，垂直納米線結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式結(jié)構(gòu)、堆疊式結(jié)構(gòu)是較為可行的方案。這些新型的結(jié)構(gòu)理論上都比GAA的結(jié)構(gòu)具備更加優(yōu)越的性能，但是也需要更為先進(jìn)的工藝水平才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。從目前的信息來(lái)看，互補(bǔ)式結(jié)構(gòu)最有可能成為GAA之后的選擇。

而今，由于3納米制程技術(shù)難度非常大，三星美國(guó)工廠也就是德州奧斯汀的晶圓工廠，在2023年前恐怕還難以正式量產(chǎn)。這對(duì)于力求趕超臺(tái)積電的三星來(lái)說(shuō)，壓力依然不小。

有業(yè)內(nèi)人士分析，就目前臺(tái)積電所公布的制程推進(jìn)狀況來(lái)看，采用EUV光刻（Extreme ultraviolet lithography，極紫外光光刻）的5納米良品率已經(jīng)快速追上7納米，甚至有業(yè)內(nèi)人士預(yù)期臺(tái)積電的3納米試生產(chǎn)良品率即可達(dá)到9成。

所以，就算三星能依靠國(guó)內(nèi)工廠2022年提前量產(chǎn)3納米GAA，但在性能上未必能壓得過臺(tái)積電，在3納米制程這場(chǎng)“龍爭(zhēng)虎斗”中，鹿死誰(shuí)手還需要拭目以待。

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