半導(dǎo)體制造的工藝節(jié)點(diǎn),涉及到多方面的問(wèn)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(lái)到了7nm,明年,5nm也將量產(chǎn)。
而從制程工藝的發(fā)展情況來(lái)看,一般是以28nm為分水嶺,來(lái)區(qū)分先進(jìn)制程和傳統(tǒng)制程。下面,就來(lái)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?xún)r(jià)比提升一直以來(lái)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(wèn)題一度被認(rèn)為是摩爾定律開(kāi)始失效的標(biāo)志,而28nm作為最具性?xún)r(jià)比的制程工藝,具有很長(zhǎng)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(hù)能負(fù)擔(dān)得起轉(zhuǎn)向高級(jí)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(wàn)美元,而28nm體硅制程器件約為3000萬(wàn)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(wàn)美元左右,而7nm芯片需要2.98億美元。對(duì)于多數(shù)客戶(hù)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(shì)明顯,將保持較長(zhǎng)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(shì)。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(kāi)始采用FinFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等。可見(jiàn),28nm正好處于制程過(guò)渡的關(guān)鍵點(diǎn)上,這也是其性?xún)r(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(tái)積電,GF(格芯),聯(lián)電,三星和中芯國(guó)際這5家之間競(jìng)爭(zhēng),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(kāi)始加入競(jìng)爭(zhēng)行列。
雖然高端市場(chǎng)會(huì)被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據(jù),但40nm、28nm等并不會(huì)退出。如28nm~16nm工藝現(xiàn)在仍然是臺(tái)積電營(yíng)收的重要組成部分,特別是在中國(guó)大陸建設(shè)的代工廠(chǎng),就是以16nm為主。中芯國(guó)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(chē)半導(dǎo)體等制造。對(duì)于各廠(chǎng)商而言,該制程也是收入的主要來(lái)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(lái)的收入可想而知。而對(duì)于中國(guó)大陸本土的晶圓代工廠(chǎng)來(lái)說(shuō),特別是中芯國(guó)際和華虹,正在開(kāi)發(fā)14nm制程技術(shù),距離量產(chǎn)時(shí)間也不遠(yuǎn)了。
目前來(lái)看,具有或即將具有14nm制程產(chǎn)能的廠(chǎng)商主要有7家,分別是:英特爾、臺(tái)積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國(guó)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(lái)看,英特爾持續(xù)更新的14nm制程與臺(tái)積電的10nm大致同級(jí)。
今年5月,英特爾稱(chēng)將于第3季度增加14nm制程產(chǎn)能,以解決CPU市場(chǎng)的缺貨問(wèn)題。
然而,英特爾公司自己的14nm產(chǎn)能已經(jīng)滿(mǎn)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(guó)亞利桑那州及俄勒岡的D1X晶圓廠(chǎng)生產(chǎn),海外14nm晶圓廠(chǎng)是位于愛(ài)爾蘭的Fab 24,目前還在升級(jí)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(píng)果和高通代工過(guò)高端手機(jī)處理器。目前來(lái)看,其14nm產(chǎn)能市場(chǎng)占有率僅次于英特爾和臺(tái)積電。
臺(tái)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(tái)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(xiàn)圖:一是FinFET,這方面,該公司有14LPP和新的12LPP(14LPP到7LP的過(guò)渡版本);二是FD-SOI,格芯目前在產(chǎn)的是22FDX,當(dāng)客戶(hù)需要時(shí),還會(huì)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(xiàn)。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(wú)論是8吋廠(chǎng),還是12吋廠(chǎng),該公司會(huì)聚焦在各種新的特殊工藝發(fā)展上。
中芯國(guó)際方面,其14nm FinFET已進(jìn)入客戶(hù)試驗(yàn)階段,2019年第二季在上海工廠(chǎng)投入新設(shè)備,規(guī)劃下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段,未來(lái),其首個(gè)14nm制程客戶(hù)很可能是手機(jī)芯片廠(chǎng)商。據(jù)悉,2019年,中芯國(guó)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(chǎng)來(lái)看,具備12nm制程技術(shù)能力的廠(chǎng)商很少,主要有臺(tái)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(lái)看,全球晶圓代工市場(chǎng),12nm的主要玩家就是臺(tái)積電、格芯和三星這三家。
臺(tái)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(tái)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(hù)訂單,從而提升12吋晶圓廠(chǎng)的產(chǎn)能利用率。因此,臺(tái)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(duì)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(zhuān)業(yè)技術(shù),該工廠(chǎng)自2016年初以來(lái),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(xiàn)圖中原本是沒(méi)有12nm工藝的,只有11nm LPP。不過(guò),三星的11 LPP和格芯的12nm LP其實(shí)是“師出同門(mén)”,都是對(duì)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(guó)際方面,不僅14nm FinFET制程已進(jìn)入客戶(hù)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(kāi)發(fā)進(jìn)入客戶(hù)導(dǎo)入階段,第二代FinFET N+1研發(fā)取得突破,進(jìn)度超過(guò)預(yù)期,同時(shí),上海中芯南方FinFET工廠(chǎng)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(tái)積電、三星和英特爾了。
總的來(lái)說(shuō),臺(tái)積電還是領(lǐng)先的,其典型產(chǎn)品就是2017年為蘋(píng)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(tái)積電仍然略勝一籌。
今年,英特爾的老對(duì)手AMD打起了翻身仗,憑借臺(tái)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(guò),前不久傳來(lái)消息,經(jīng)過(guò)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(kāi)始量產(chǎn)。
不過(guò),英特爾對(duì)制程節(jié)點(diǎn)的嚴(yán)謹(jǐn)追求是很值得稱(chēng)道的,從具體的性能指標(biāo),特別是PPA和晶體管密度來(lái)看,英特爾的10nm比臺(tái)積電的10nm有優(yōu)勢(shì)。
7nm
在7nm,目前只有臺(tái)積電和三星兩家了,而且三星的量產(chǎn)時(shí)間相對(duì)于臺(tái)積電明顯滯后,這讓三星不得不越過(guò)7nm,直接上7nm EUV,這使得像蘋(píng)果、華為、AMD、英偉達(dá)這樣的7nm制程大客戶(hù)訂單,幾乎都被臺(tái)積電搶走了。在這種先發(fā)優(yōu)勢(shì)下,臺(tái)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(tái)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(huì)面市了。
英特爾方面,在10nm之后,該公司稱(chēng)會(huì)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(lái)都非常好,根據(jù)之前的消息,7nm工藝會(huì)在2021年的數(shù)據(jù)中心GPU上首發(fā)。
5nm
臺(tái)積電在2018年1月就開(kāi)始興建5nm晶圓廠(chǎng)了;除了錢(qián)、晶圓廠(chǎng)、光刻機(jī)之外,5nm的刻蝕機(jī)、EDA工具、客戶(hù)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(guò)程可以簡(jiǎn)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(duì)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(tái)刻蝕機(jī)單價(jià)在200萬(wàn)美元左右,一個(gè)晶圓廠(chǎng)需要40-50臺(tái)刻蝕機(jī)。
國(guó)外刻蝕機(jī)設(shè)備廠(chǎng)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(guó)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(guó)外的差距沒(méi)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(guò)臺(tái)積電驗(yàn)證,將用于全球首條5nm制程生產(chǎn)線(xiàn)。而在7nm時(shí)代,中微半導(dǎo)體的刻蝕機(jī)也進(jìn)入了臺(tái)積電的7nm產(chǎn)線(xiàn)。
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(tái)通過(guò)了臺(tái)積電的5nm EUV工藝技術(shù)認(rèn)證。
而另一EDA巨頭華登國(guó)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(kāi)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(cè)試芯片。
陳立武說(shuō),現(xiàn)在5nm市場(chǎng)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(hù)已就位;
有工藝,自然也需要有市場(chǎng)。臺(tái)積電曾表示,目前很多客戶(hù)已經(jīng)開(kāi)始基于新工藝開(kāi)發(fā)芯片了。
不過(guò)由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不同,像比特大陸這種專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)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(zhuān)用芯片而非通用芯片,比如臺(tái)積電7nm的頭批客戶(hù)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(tái)與關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)夏禹此前給出的芯片工藝路線(xiàn)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(wèn)世的時(shí)間點(diǎn)在2020年。
在7nm時(shí)代,華為和臺(tái)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(chǎng)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(tái)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(yǔ)
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(chǎng)商的進(jìn)展進(jìn)行了闡述。而更先進(jìn)的5nm、3nm、2nm等還沒(méi)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(tái)積電和三星這兩家,臺(tái)積電稱(chēng)將于明年量產(chǎn)5nm,而三星似乎要越過(guò)5nm,直接上3nm,我們拭目以待
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