晶圓代工江湖的工藝糾葛 5納米/6納米將成今年競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

近日，一則消息十分引人關(guān)注。高通最新發(fā)布旗下第三代5G基帶芯片驍龍X60，該芯片將采用三星5納米工藝進(jìn)行代工生產(chǎn)。

這使得三星在與臺(tái)積電的代工大戰(zhàn)中，搶下一個(gè)重要客戶(hù)的訂單，同時(shí)也將摩爾定律推進(jìn)到5納米節(jié)點(diǎn)。2020年之初，全球半導(dǎo)體龍頭大廠在先進(jìn)工藝競(jìng)爭(zhēng)上的火藥味就已經(jīng)十分濃重。

“3+1”的參與者

5G的落地、人工智能的發(fā)展，無(wú)不需要應(yīng)用到半導(dǎo)體芯片。這在提升市場(chǎng)規(guī)模的同時(shí)，也對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體制造企業(yè)不得不朝著更加尖端的工藝節(jié)點(diǎn)7納米/5納米/3納米演進(jìn)。

事實(shí)上，沿著摩爾定律能夠持續(xù)跟進(jìn)半導(dǎo)體工藝尺寸微縮的廠家數(shù)量已經(jīng)越來(lái)越少，在這個(gè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的廠商主要就是三星、臺(tái)積電和英特爾三家。此外，中國(guó)大陸晶圓代工廠中芯國(guó)際也在推進(jìn)當(dāng)中。因此，參與先進(jìn)工藝之爭(zhēng)的也就只有這樣“三大一小”幾家公司。

先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)量產(chǎn)的成功與否對(duì)于半導(dǎo)體巨頭來(lái)說(shuō)意義十分重大。臺(tái)積電2019年第四季度財(cái)報(bào)實(shí)現(xiàn)營(yíng)收3170億元新臺(tái)幣。按工藝水平劃分，7納米工藝技術(shù)段占公司收入的35％，10納米為1％，16納米為20％，合計(jì)16納米及以下先進(jìn)工藝產(chǎn)品收入已經(jīng)占到56％。臺(tái)積電CEO魏哲家表示，采用先進(jìn)工藝的5G和HPC產(chǎn)品是臺(tái)積電的長(zhǎng)期主要增長(zhǎng)動(dòng)力，并預(yù)計(jì)2020年5G智能手機(jī)在整個(gè)智能手機(jī)市場(chǎng)的普及率為10％左右。

正因如此，半導(dǎo)體龍頭大廠無(wú)不極為重視先進(jìn)工藝的投資與開(kāi)發(fā)。2月20日，三星宣布韓國(guó)華城工業(yè)園一條專(zhuān)司EUV（極紫外光刻）技術(shù)的晶圓代工生產(chǎn)線V1實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)了解，V1生產(chǎn)線于2018年2月動(dòng)工，2019年下半年開(kāi)始測(cè)試晶圓生產(chǎn)，首批產(chǎn)品今年第一季度向客戶(hù)交付。

目前，V1已經(jīng)投入7納米和6納米 EUV移動(dòng)芯片的生產(chǎn)工作，規(guī)劃未來(lái)可以生產(chǎn)3納米的產(chǎn)品。三星制造業(yè)務(wù)總裁ES Jung稱(chēng)，V1產(chǎn)線將和S3生產(chǎn)線一道，幫助公司拓展客戶(hù)，響應(yīng)市場(chǎng)需求。

臺(tái)積電對(duì)先進(jìn)工藝的開(kāi)發(fā)同樣重視。在2020年1月召開(kāi)的法說(shuō)會(huì)上，臺(tái)積電表示將增加2020年的資本支出，從原訂的110億美元，上修至140億美元～150億美元，其中80% 將投入先進(jìn)工藝產(chǎn)能的擴(kuò)增，包括7納米、5納米及3納米等。

而日前業(yè)內(nèi)也傳出“英特爾將提前進(jìn)行7納米投資”的消息，英特爾2020年的設(shè)備投資計(jì)劃，不僅要增加現(xiàn)有14/10納米工藝的產(chǎn)能，還要對(duì)7/5納米工藝進(jìn)行投資。在2019年財(cái)報(bào)中，英特爾表示2020年計(jì)劃的資本支出約為170億美元。

根據(jù)中芯國(guó)際財(cái)報(bào)，2019年第四季度14納米工藝已經(jīng)量產(chǎn)，并帶來(lái)了768萬(wàn)美元的營(yíng)收。在該次財(cái)報(bào)會(huì)議上，中芯國(guó)際聯(lián)席CEO梁孟松也首次公開(kāi)了中芯國(guó)際的N+1、N+2工藝的情況。中芯國(guó)際的N+1工藝和現(xiàn)有的14納米工藝相比，性能提升了20%，功耗降低了57%，邏輯面積縮小了63%，SoC面積減少了55%。

5納米/6納米將成今年競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)

如果說(shuō)2019年先進(jìn)工藝的競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)是7納米+EUV光刻工藝，那么2020年焦點(diǎn)將轉(zhuǎn)到5納米節(jié)點(diǎn)上。在高通發(fā)布X60基帶芯片之后，路透社便援引兩名知情人士消息報(bào)道，三星的半導(dǎo)體制造部門(mén)贏得了高通的最新合同，將使用5納米工藝技術(shù)生產(chǎn)新發(fā)布的芯片。對(duì)此，有業(yè)內(nèi)人士指出，三星EUV產(chǎn)線的投產(chǎn)以及成功交付高通全球首個(gè)5納米產(chǎn)品驍龍X60基帶芯片，都將給臺(tái)積電帶來(lái)一定壓力。

此前三星在先進(jìn)工藝方面與臺(tái)積電的競(jìng)爭(zhēng)并不順利。2018年三星選擇了跳過(guò)LPE低功耗階段，直接進(jìn)入7納米 EUV的大膽策略，意圖在工藝技術(shù)上搶占先機(jī)。但是新工藝的良品率一直不高，使得大膽策略沒(méi)有奏效。而臺(tái)積電仍采用傳統(tǒng)多次曝光技術(shù)，先行占領(lǐng)市場(chǎng)，取得了幾乎100%的7納米市場(chǎng)。不過(guò)三星顯然并沒(méi)有放棄對(duì)先進(jìn)工藝市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)與爭(zhēng)奪。

2020年三星再次將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到5納米之上，顯然是有意再次向臺(tái)積電發(fā)起挑戰(zhàn)。在1月份的投資者電話(huà)會(huì)議上，當(dāng)被問(wèn)及三星將如何與臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，三星晶圓高級(jí)副總裁Shawn Han表示，公司計(jì)劃通過(guò)“多元化客戶(hù)應(yīng)用”來(lái)擴(kuò)大5納米芯片產(chǎn)量。按照三星此前發(fā)布的工藝規(guī)劃，5納米工藝在2019年4月份開(kāi)發(fā)完成，下半年實(shí)現(xiàn)首次流片，在2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

臺(tái)積電對(duì)于5納米也同樣重視。根據(jù)臺(tái)積電此前的披露，5納米工藝2019年上半年導(dǎo)入試產(chǎn)，2020年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。臺(tái)積電5納米投資250億美元，月產(chǎn)能5萬(wàn)片，之后再擴(kuò)充至7萬(wàn)～8萬(wàn)片。根據(jù)設(shè)備廠商消息，下半年臺(tái)積電5納米接單已滿(mǎn)，除蘋(píng)果新一代A14應(yīng)用處理器外，還包括華為海思新款麒麟芯片等。

即使是三星已經(jīng)拿下高通5納米訂單，也不代表臺(tái)積電就會(huì)失去高通的訂單。事實(shí)上，高通一直以來(lái)就是把晶圓代工訂單交由臺(tái)積電和三星等多家廠商生產(chǎn)的。

此外，臺(tái)積電還規(guī)劃了一個(gè)5納米工藝的加強(qiáng)版，有點(diǎn)像7納米節(jié)點(diǎn)的N7+。資料顯示，5納米加強(qiáng)版在恒定功率下可提高7%的性能，降低15%的功率。預(yù)計(jì)該工藝平臺(tái)將在2021年量產(chǎn)。

6納米是今年競(jìng)爭(zhēng)的另一個(gè)重點(diǎn)。紫光展銳最新發(fā)布的5G芯片虎賁T7520就采用了臺(tái)積電的6納米工藝，相較7納米工藝，晶體管密度提升18%，功耗下降8%。根據(jù)臺(tái)積電中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展副總經(jīng)理陳平的介紹，6納米是7納米的延伸和擴(kuò)展。

臺(tái)積電于2018年量產(chǎn)7納米工藝，2019年量產(chǎn)7納米+EUV的升級(jí)版，在芯片的部分關(guān)鍵層生產(chǎn)中導(dǎo)入EUV設(shè)備，從而減少光罩的采用，降低成本，提高制造效率。6納米工藝平臺(tái)則是7納米工藝的另一個(gè)升級(jí)版。由于它可以利用7納米的全部IP，此前采用7納米的客戶(hù)可以更加便捷地導(dǎo)入，在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)兼顧了成本。

3納米或需探索新的工藝架構(gòu)

3納米有可能是半導(dǎo)體大廠間先進(jìn)工藝之爭(zhēng)的下一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。半導(dǎo)體專(zhuān)家莫大康指出，真正發(fā)生重大變革的是3納米，因?yàn)閺?納米開(kāi)始半導(dǎo)體廠商會(huì)放棄FinFET架構(gòu)轉(zhuǎn)向GAA晶體管。

莫大康表示，市場(chǎng)預(yù)測(cè)5納米可能與10納米相同，是一個(gè)過(guò)渡節(jié)點(diǎn)，未來(lái)將迅速轉(zhuǎn)向3納米。但是現(xiàn)在半導(dǎo)體公司采用的FinFET架構(gòu)已不再適用3納米節(jié)點(diǎn)，需要探索新的工藝架構(gòu)。

也就是說(shuō)，在這個(gè)技術(shù)岔道口，三星有可能對(duì)臺(tái)積電發(fā)起更強(qiáng)力的挑戰(zhàn)。三星在“2019三星代工論壇”（Samsung Foundry Forum 2019）上，曾發(fā)布新一代閘極環(huán)柵（GAA，Gate-All-Around）工藝。

因此，外界預(yù)計(jì)三星將在3納米節(jié)點(diǎn)使用GAA環(huán)柵架構(gòu)工藝。三星電子的半導(dǎo)體部門(mén)表示，基于GAA工藝的3納米芯片面積可以比最近完成開(kāi)發(fā)的5納米產(chǎn)品面積縮小35%以上，耗電量減少50%，處理速度可提高30%左右。

臺(tái)積電則在2018年宣布投資6000億元新臺(tái)幣，興建3納米工廠，計(jì)劃在2020年動(dòng)工，最快于2022年年底開(kāi)始量產(chǎn)。在2019年第一季度的財(cái)報(bào)法說(shuō)會(huì)上，臺(tái)積電曾披露其3納米技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入全面開(kāi)發(fā)階段。不過(guò)到目前為止，臺(tái)積電仍未公開(kāi)其3納米節(jié)點(diǎn)的工藝路線。

外界估計(jì)，臺(tái)積電有可能要在今年4月29日舉行的“北美技術(shù)論壇”上才會(huì)公布3納米的細(xì)節(jié)。屆時(shí)，臺(tái)積電與三星的3納米工藝之爭(zhēng)將會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的階段。