3nm的猜想

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这一年半导体业的诸多巨变,埋下了日后草蛇灰线的因子,但追赶先进工艺的步伐不曾放缓。作为可在先进工艺上一较长短的台积电与三星,下一个“赛点”也锁定在了3nm。

尽管3nm在当下还只堪远眺,但它的步伐已然愈行愈近。

进度

作为代工头号大拿,台积电可谓睥睨天下,目前最大的挑战可能只是如何战胜自己。毕竟,其在先进工艺层面,仍端的是一骑绝尘。

自在10nm节点开始弯道超车以来,台积电就在先进工艺的赛道上执牛耳。10nm工艺于2016年年底就已量产,在两年前则量产7nm工艺,今年进阶到大规模量产5nm。按照这一时间进度,3nm的量产也提上日程。

在第二季度台积电的5nm工艺顺利量产之际,台积电CEO魏哲家再次谈到了3nm工艺,重申进展顺利,计划在2021年风险试产,2022年下半年大规模量产。

到了今年九月,台积电就公布了其3nm工艺量产目标,2022年下半年的单月生产能力上升到5.5万片,到2023年的单月上升到10万片。据悉苹果已经包揽下最早一批3nm产能。

这一速度比预期要快。

事实上之前台积电原计划是2023年量产3nm,没想到居然提前了一年。而2023的计划也准备好了,就是3nm+。

对于台积电来说,先进工艺看似已无悬念,但其在今年遭遇最大的问题并不是疫情爆发导致的停工,而是失去了华为和高通两大客户。丢失了这两大客户不止对台积电的营收产生影响,或恐波及未来先进工艺的投入及路径选择,台积电能否借先行一步弥补落差呢?

不止于3nm

3nm已来,3nm+紧跟着浮出水面。

日前,台积电官方正式宣布,将在2023年推出3nm工艺的增强版,该工艺将被命名为“3nm Plus”,首发客户依然是苹果。按苹果一年更新一代芯片的速度,届时使用3nm Plus工艺的将是“A17”芯片。

虽然台积电官方并未透露出3nm Plus工艺的详细信息,从以往的升级可以推测,预计将比3nm拥有更多的晶体管密度以及更低功耗。参照台积电此前公布的3nm工艺,相比较5nm工艺,晶体管密度提升了15%,减少25~30%的功耗,并且带来10~15%的性能提升。

不但如此,台积电在2nm的工艺上也要领先于其他厂商,目前已取得了重大突破,有望在2023年进行试产,2024年开始量产。如果真的如此,不知转投三星怀抱的高通又该作何感想。

业界专家认为,2nm工艺时即便是EUV光刻机也要两次图形曝光技术,因此可能是要等ASML的0.55NA形变镜头设备推出才正式进入2nm。

每提升一代制程都会面临根本性的改变,3nm +的特性仍然基于3nm,只是Size变化。但若进入2nm世代应是Model、特性都不同,相对复杂度和难度更高。”某台湾业内士对此分析说。

路线

除3nm节点时间值得关注之外,技术路线的不同选择也透露诸多深意。

之前传闻台积电在3nm节点会放弃FinFET晶体管工艺转向GAA(环绕栅极晶体管),不过最新消息称台积电研发成功2nm工艺,将使用GAA,这意味着台积电3nm节点还会采用传统的FinFET工艺。

业界知名专家莫大康对此表示,这说明台积电在FinFET的工艺强,晶圆代工芯片的性能除架构之外,还有工艺掌握度需要考量,比如良率等等。

国内另一行业人士则直言,选择何种路线一方面要看客户的喜好和器件技术性能,另一方面要对技术成熟度以及成本等多方面进行考量。

对于老成持重的台积电来说,这一选择必是经过权衡和取舍之后的决策,毕竟上百亿美元的投入,无论是冒进还是保守都须慎之又慎。而采用FinFET意味着台积电在相同的制程技术与流程下进入3nm世代,不用变动太多的生产工具,也能有较具优势的成本结构。对客户来说,也将不用进行太多的设计变更,减少很多不必要的生产成本。若最终的产品性能还能与竞争对手平起平坐,那台积电或将在3nm世代再胜一筹。

作为一直在追赶的三星来说,却率先以GAA来开道。三星一直希望在3nm工艺上实现对台积电的反超,改用GAA能否达成所愿?

据年初韩媒报道,三星电子已成功开发3nm制程,预计将于2022年开启大规模量产。报道称,与三星电子的5nm工艺相比,3nm制程能将芯片尺寸缩小35%,功耗降低50%,性能提升30%。

虽然GAA新架构的效能更佳,但要实现量产的难度远高于 FinFET 架构。作为GAA技术的领头羊,三星究竟能否解决在设备、材料以及互连等诸多层面的挑战,借由3nm工艺翻盘,还需要时间加以证明。

目前来看,3nm工艺将成为各家晶圆代工厂竞争的关键点。除了台积电与三星以外,英特尔也对3nm抱有极大期望,并计划在5nm工艺阶段就放弃FinFET,转向GAA。

自FinFET在20nm之后,一直主导工艺的进阶,在14nm、12nm、7nm、5nm等节点功成名就,但在3nm之际迎来了即将“取而代之”的“对手”,之后的2nm或将拱手相让于GAA。登上舞台不到十年,先进工艺的使命到这划上了句点。

尽管上万亿的IoT市场为FinFET带来了新的想象空间,但毕竟那是非主场的舞台了。

在市场需求、技术进步的大潮之下,从平面MOSFET到FinFET,再到接下来的GAA,一切工艺都是为更高性能、更高集成度的芯片服务。巨头们在3nm节点处必有一战,而胜者将成为新的王者。

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对于3nm晶圆厂来说,除了技术研发之外,它对水电的消耗也不容忽视,特别是在大量使用EUV工艺之后,我们之前在介绍EUV光刻机时就提到过这个问题,由于EUV极其耗电,因为13.5nm的紫外光容易被吸收,导致转换效率非常低,据说只有0.02%,目前ASML的EUV光刻机输出功率是250W,工作一天就要耗电3万度,所以晶圆厂耗电量极其惊人,台积电公布的2016社会责任报告中提到耗电量总计88.5亿度。