全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

时间:2020-05-11 09:30来源:作者: 点击:
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摘要:从华为、苹果打响7nm旗舰手机芯片第一枪开始,7nm芯片产品已成百花齐放之势,而5nm芯片也将在今年下半年正式首秀

关键字:英特尔,半导体,芯片

2020年开篇伊始,全球半导体先进制程之战新的交锋已然火花四射。

从华为、苹果打响7nm旗舰手机芯片第一枪开始,7nm芯片产品已成百花齐放之势,而5nm芯片也将在今年下半年正式首秀。

10nm、7nm、5nm、3nm……这些逐渐缩小的芯片制程数字,正是全球电子产品整体性能不断进化的核心驱动力。

通往更先进制程的道路犹如攀登高峰,飙高的技术难度和研发成本将大多数芯片代工厂拦在半山腰,全球唯有台积电、三星、英特尔还在向峰顶冲刺。

就在刚刚过去4个月,三星、台积电和英特尔接连密集释放关于更先进制程的新讯息。

三星首款3nm芯片研发成功,台积电3nm芯片晶体管密度达2.5亿/mm,英特尔官宣制程回归两年更新周期。

 

全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

 

▲全球主要晶圆厂制程节点技术路线图

与此同时,作为过去十年芯片制程演进的关键功臣,FinFET之父、美国加州大学伯克利分校教授胡正明被授予国际电气与电子工程学会授予2020年IEEE荣誉勋章。

在全球备战3nm及更先进制程的关键节点,本文围绕晶体管结构、光刻、沉积与刻蚀、检测、封装等五大关键环节,探讨全球先进制程冲刺战中更高阶的核心技术及玩家格局。

 

全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

 

▲迈向1nm节点的技术路线图(图源:Imec)

一、世界上最烧钱长跑:芯片制程进阶之路

什么是芯片制程?制程用来描述芯片晶体管栅极宽度的大小,纳米数字越小,说明晶体管密度越大,芯片性能就越高。

例如,台积电7nm芯片的典型代表苹果A13、高通骁龙865和华为麒麟990,每平方毫米约有1亿个晶体管。随后台积电5nm、3nm芯片进一步将每平方毫米的晶体管数量进一步提升至1.713亿个、2.5亿个。

 

全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

 

▲台积电制程工艺节点路线图(图源:WikiChip)

伴随着制程的进化,5nm比7nm芯片性能提升15%,功耗降低30%;3nm又比5nm芯片性能提升10-15%,功耗降低25-30%。

由于各家对制程工艺的命名法则不同,相同纳米制程下,并不能对各厂商的制程技术进展做直观比较。比如英特尔10nm的晶体管密度与台积电7nm、三星7nm的晶体管密度相当。

 

全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

 

▲全球先进制程技术对比

从制程最新进展来看,一边是台积电三星在5nm/3nm等先进制程上你追我赶,另一边英特尔则韬光养晦循序渐进地走向7nm。

5nm方面,台积电已经拿到苹果和华为的旗舰手机芯片订单,下半年开启量产,有望在其2020年营收占比达10%。

三星在5nm制程则相对落后,目前正加速韩国华城5nm生产工厂V1的建设,预计6月底前完成生产线建设,今年年底前实现量产。

据外媒报道,三星与谷歌正合作开发采用三星5nm LPE工艺的定制Exynos芯片组,将搭载于谷歌的Pixel智能手机、Chrome OS设备甚至数据中心服务器中。

3nm方面,台积电3nm制程预计2021年开始试生产,并于2022年下半年开始量产。三星原计划2021年大规模量产3nm工艺,但受当前疫情影响,不确定量产时间是否会推迟。

为什么挺进先进制程的玩家屈指可数呢?主要源于两大门槛:资本和技术。

制程工艺的研发和生产成本逐代上涨。根据市场研究机构International Business Strategies(IBS)的数据,3nm芯片的设计费用约达5-15亿美元,兴建一条3nm产线的成本约为150-200亿美元。

两年前台积电为3nm工艺计划投资6000亿新台币,折合近200亿美元。单是从资金数目来看,很多中小型晶圆厂就玩不起。

 

全球半导体先进制程之战打响,未来半导体行业的创新之路在何方

 

▲不同工艺下的典型芯片流片成本图,28nm后成本开始迅速上升

更高的研发和生产成本,对应的是更难的技术挑战。

每当制程工艺逼近物理极限,晶体管结构、光刻、沉积、刻蚀、检测、封装等技术的创新与协同配合,对芯片性能天花板的突破起到决定性作用。

二、摩尔定律的续命关键:晶体管结构从FinFET走向GAA

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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