資本丨全球芯片攻堅戰(zhàn)：臺積電一枝獨秀，3nm明年開始試產(chǎn)

前言：5nm、3nm 節(jié)點主要面向 FPGA 等高性能計算領(lǐng)域，智能處理器和 5G 芯片。在接下來的兩三年中，5G 將會被大規(guī)模使用。

臺積電：最為積極和最早布局

很快臺積電的 5nm 工藝即將量產(chǎn)，與此同時，臺積電的 3nm 工藝也在持續(xù)推進當(dāng)中。

去年 7 月，臺積電就公開表示其 3nm 工藝的開發(fā)進展順利，并且已經(jīng)與早期客戶就技術(shù)定義進行了接觸。

近日，臺積電正式披露了其最新 3nm 工藝的細(xì)節(jié)詳情，其晶體管密度達到了驚人的 2.5 億個 /mm²。

在性能提升方面，臺積電 5nm 工藝相比 7nm 性能可提升 15%，能效比提升 30%，而 3nm 較 5nm 性能則可進一步提升 7%，能效比提升 15%。

臺積電在評估多種選擇后認(rèn)為現(xiàn)行的 FinFET 工藝在成本及能效上更佳，所以 3nm 首發(fā)依然會是 FinFET 晶體管技術(shù)。

而臺積電則表示，其 3nm 工藝研發(fā)符合預(yù)期，并沒有受到疫情影響，預(yù)計在 2021 年進入風(fēng)險試產(chǎn)階段，2022 年下半年量產(chǎn)。

3nm 是他們在 5nm 之后在芯片工藝上的一個完整的技術(shù)跨越，同第一代的 5nm 工藝（N5）相比，第一代的 3nm 工藝（N3）的晶體管密度將提升約 70%，速度提升 10%到 15%，芯片的性能提升 25%到 30%，3nm 工藝將進一步夯實他們未來在芯片工藝方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。

臺積電通過了 1,217.81 億元資本預(yù)算，除升級先進制程產(chǎn)能外，也用于轉(zhuǎn)換部分邏輯制程產(chǎn)能為特殊制程產(chǎn)能。

臺積電預(yù)定今年度資本支出金額約 100 億美元至 110 億美元，其中 80%經(jīng)費將用于 3 納米、5 納米及 7 納米先進制程技術(shù)。

臺積電預(yù)期，今年 7 納米與第二代 7 納米制程將貢獻約 25%業(yè)績。另外有 10%經(jīng)費用于先進封裝與光罩，10%用于特殊制程。

面對三星積極沖刺晶圓代工，并企圖在 3 納米制程超車臺積電，臺積電發(fā)言系統(tǒng)表示，不對競爭對手的技術(shù)發(fā)展做任何評論，并強調(diào)絕有信心在 7 納米、5 納米，甚至 3 納米制程持續(xù)維持全球領(lǐng)先地位。

三星：在技術(shù)上的追趕和超越

三星同樣押注 3nm 節(jié)點，進度及技術(shù)選擇都很激進，三星將淘汰 FinFET 晶體管，直接使用 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。

根據(jù)三星的信息，相較于 7nm FinFET 工藝，3nm 工藝可以減少 50%能耗、增加 30%性能。三星計劃 2021 年量產(chǎn)，疫情影響已推遲到 2022 年，但沒有明確具體時間。

去年，三星的 Foundry Forum 活動中強調(diào)了先進封裝的重要性；今年，三星的 Foundry Forum 則將重點放在了先進制程的進度上。就此，我們也能夠很明顯地感受到，三星與臺積電之間的競爭越發(fā)激烈。

前不久，三星也公布了未來的制程工藝路線圖，公司計劃今年推出 7nm EUV 工藝，明年有 5/4nm EUV 工藝，2020 年則會推出 3nm EUV 工藝，同時晶體管類型也會從 FinFET 轉(zhuǎn)向 GAA 結(jié)構(gòu)。

不過，根據(jù)最新的消息顯示，受今年新冠疫情的影響，三星的 3nm 工藝的進度可能將推遲。

基于 GAA 的工藝節(jié)點有望在下一代應(yīng)用中廣泛采用，例如移動、網(wǎng)絡(luò)通訊、汽車電子、人工智能（AI）和 IoT 物聯(lián)網(wǎng)等。

值得一提的是，三星一直被詬病的晶體管密度仍然未被提及。作為 GAA 技術(shù)的領(lǐng)頭羊，三星究竟能否借由 3nm 工藝翻盤，還需要時間來證明。

三星在 10nm、7nm 及 5nm 節(jié)點的進度都會比臺積電要晚一些，導(dǎo)致臺積電幾乎包攬了目前的 7nm 芯片訂單，三星只搶到 IBM、NVIDIA 及高通部分訂單。

不過三星已經(jīng)把目標(biāo)放在了未來的 3nm 工藝上，預(yù)計 2021 年量產(chǎn)，這個時間點要早于臺積電。

英特爾：主流工藝反超 新戰(zhàn)場保守

去年英特爾超越三星，奪回了全球半導(dǎo)體市場的一哥地位，過去 27 年以來英特爾在這個榜單上把持了 25 年之久。

再下一步，英特爾還要在半導(dǎo)體技術(shù)上追上來，其 7nm 工藝晶體管密度就接近臺積電 3nm 工藝了，5nm 節(jié)點反超幾乎是板上釘釘了。

在 10nm 走上正軌之后，英特爾宣布他們的半導(dǎo)體工藝發(fā)展將回到 2 年一個周期的路線上來，2021 年就會量產(chǎn) 7nm 工藝，首發(fā)高性能的 Xe 架構(gòu) GPU，2022 年會擴展到更多的 CPU 等產(chǎn)品中。

現(xiàn)在還沒公布官方細(xì)節(jié)，不過英特爾從 22nm 工藝到 14nm 是 2.4x 縮放，14nm 到 10nm 是 2.7x 縮放，都超過了摩爾定律的 2x 工藝縮放水平。

英特爾 CEO 司睿博之前提到過 7nm 工藝會會到正?？s放，那至少是 2x 到 2.4x 縮放，意味著 7nm 工藝的晶體管密度將達到 2 億 /mm2 到 2.4 億 /mm2 之間。

這樣看來，如果是 2.4 億 /mm2 的水平，那英特爾的 7nm 工藝就能達到臺積電 3nm 工藝的水平，保守一點 2 億 /mm2 的話，那也非常接近了。

7nm 之后英特爾還會進入 5nm 節(jié)點，時間點會在 2023 年，按照英特爾的水平，至少也是 2x 縮放，那晶體管密度至少會達到 4 億 /mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過臺積電的 3nm 工藝水平，臺積電的 2nm 工藝在 2023 年之前應(yīng)該沒戲的。

目前的計算還是理論性的，但是只要英特爾的工藝路線重回正軌，先進工藝上追回來并不讓人意外，臺積電、三星并不能小覷半導(dǎo)體一哥的技術(shù)實力。

7nm 之后是更先進的 5nm、3nm、2nm 和 1.4nm，其中 5nm、3nm 和 2nm 處在路線發(fā)現(xiàn)階段，分別計劃在 2023 年、2025 年和 2027 年采用，2029 年擬開始采用 1.4nm 工藝。

同時，英特爾或也將在 5nm 工藝階段放棄 FinFET 晶體管，轉(zhuǎn)向 GAA 環(huán)繞柵極晶體管。

其首席財務(wù)官也曾指出，英特爾要進行 10nm 量產(chǎn)、7nm 提速、5nm 投資，考慮到這部分技術(shù)交集主要集中在 2020~2021 年，也必然會影響到英特爾毛利率。

從流程路線圖來看，英特爾將按照每兩年一次主要節(jié)點更新的節(jié)奏進行。而 3nm，排到了 2025 年來實現(xiàn)。

決戰(zhàn) 3nm 面臨的挑戰(zhàn)

①雖說現(xiàn)在臺積電和三星的 7nm EUV 產(chǎn)品已經(jīng)步入正軌，但當(dāng)先進工藝推進到 3nm 之時，與之相關(guān)的 EUV 技術(shù)也將再次發(fā)生變化。

而這就涉及了 EUV 曝光技術(shù)的開發(fā)方面最重要的是 EUV 曝光設(shè)備的改良。

②EUV 掩膜、檢測掩膜的缺陷以及光源功率等都將影響 EUV 技術(shù)在先進工藝上的使用。

③雖然臺積電、三星以及英特爾都計劃在 GAA 上有所投入，但在 3nm 初期階段就采用新型晶體管，是否能夠被市場接納，也是值得廠商思考的事情。

④如果采用 GAA 工藝，則需要導(dǎo)入新材料，因此制程技術(shù)上相當(dāng)困難，尤其是在蝕刻部分是大挑戰(zhàn)。

⑤3nm 工藝節(jié)點的互連是芯片中的微小銅布線方案，它在每個節(jié)點上變得越發(fā)緊湊，造成芯片中不必要的 RC 延遲。

結(jié)尾

縱觀全球半導(dǎo)體制程玩家，目前僅剩三足鼎立：英特爾、三星和臺積電。而其中真正卯著勁在攻堅 3nm 的，其實只有三星和臺積電兩家而已。從市場份額來看，臺積電暫時領(lǐng)先。