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如何突破5纳米工艺?未来的话语权或许就在亚洲

2020-10-30
作者:周凯扬
来源:老石谈芯
关键词: 台积电 三星 5nm

  老石按:

  一个很有意思的发现,就是亚洲可能会主导未来开云棋牌官网在线客服代工的话语权。随着蓝厂的拉胯,和格罗方德的沉寂,台积电三星愈发强势。然而事实真的是这样吗?这些代工厂使用了多少美国技术?它们背后的巨头又有哪些?欢迎文末留言讨论。

  电子发烧友网报道(文/周凯扬)对于芯片产业来说,制程工艺是一个大家耳熟能详的一个词。然而随着摩尔定律的限制,不少厂商都在寻找继续突破的办法。为了从22nm过渡到16nm,几乎所有从事开云棋牌官网在线客服制造的领头羊企业都选择从平面晶体管转为FinFET晶体管,由平面转向立体。

  然而目前开云棋牌官网在线客服制程面临的又一大壁垒则是5nm,要突破到5nm以下,就不得不选择全新的解决思路,比如使用极紫外光刻机(EUV)等,然而不同的开云棋牌官网在线客服厂商纷纷踏上了不同的罗马大路。

三星

  三星为了化身开云棋牌官网在线客服行业的领军人,去年正式发布了“2030愿景”战略,在2030年之前投资133万亿韩元(1105.1亿美元)。如今三星已在做出了一系列举措,比如开发3nm工艺、投资神经处理单元与AMD合作开发移动GPU等。三星如今已在韩国与美国建立了先进的300mm晶圆厂,在韩国和中国苏州也有测试和封装的产线。

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  三星在制程工艺上做到的“第一”/ 三星

  三星将借助EUV在FinFET上实现5nm和4nm,目前三星也在加快第三个EUV节点的量产计划。而到了3nm上,三星将采用全新的GAA(环绕式栅极)结构。最典型的GAA就是纳米线,但由于纳米线的高成本,三星设计了一种全新的GAA形式MBCFET。MBCFET由多层堆叠的纳米片组成,从FinFET的横向堆叠改为垂直堆叠,兼容已有的FinFET设计。三星计划2020年提供首批3nm GAA工艺客户流片,2020年末进行试产,2021年末正式进入量产。

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  FinFET与MBCFET的比较 / 三星

  在三星的规划中,14nm制程将作为低成本的首选,主要用于存储、小芯片、DDR4和PCIe 4等应用;8nm主打性价比,已经可以用于AI交互、DDR5、PCIe 5和GPU,比如英伟达最新的RTX30系列。5nm和4nm则主要用于下一代CPU、AI训练,并实现112G的SerDes速率,采用2.5D、3D TSV和FOWLP等先进封装。三星在汽车上使用的先进工艺主要是14nm与8nm,提供AEC-Q100和ASIL B/D的认证,以及MIPI、内存、PCIe、以太网和安全等应用上的关键IP,辅以低成本高性能的封装。

 英特尔

  英特尔的制程迭代之路就比较坎坷,不过与广大代工厂不同的是,他们并不需要保持制程优势,只要能在维持竞争力的情况下满足客户需求即可。因此Intel在14nm上徘徊了很长时间,直到2019年的处理器才开始使用10nm制程,而今年又爆出了7nm制程出现问题,产品线全面延迟,甚至解雇了芯片业务的主要负责人,甚至在考虑未来是寻求代工合作还是购买更多的7nm设备。这主要归结于EUV的使用过晚,和技术业务架构上的失误。

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  由FinFET转为纳米线 / Intel

  作为最早实现FinFET的厂商之一,Intel并不想在制程上落后于人,但他们更重视于晶体管密度的提升而不是单单的制程升级。今年8月,英特尔正式公布了10nm下的SuperFin技术,用于下一代Tiger Lake芯片中,并保证其功耗效率可以与台积电的7nm相抗衡。在今年的第三季度财报会议上,Intel CEO司瑞博提到他们已经找到了7nm工艺问题的根源,部署了解决方案,取得了惊人的进展。此外,Intel在今年提出未来五年内将采用GAA结构,但他们所用的正是三星所抛弃的纳米线。从Intel的路线图来看,GAA结构也许会用于5nm制程工艺中。

台积电

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  台积电的制程工艺发展 / 台积电

  台积电目前5nm制程已经实现量产,专门针对移动应用以及高效能运算应用开发。该制程为台积电第二代运用极紫外(EUV)技术的制程,早在去年3月就已经进入了试产阶段,于今年开始量产。目前苹果的A14芯片以及华为海思的麒麟9000系列芯片都采用了台积电的5nm制程,未来AMD的Zen 4 CPU也将使用这一技术。此外台积电预计5nm推出一年后,将推出5nm FinFet强化版制程技术N5P,提升5%的性能,降低10%的功耗。

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  台积电主要制程的PPA公开数据对比 / 数据来源:台积电

  而5nm之后,台积电打算先推出N4制程,通过进一步部署EUV层来减少光罩,并将芯片设计者的移植工作量减少到最小。台积电预计N4的试产将于2021年第四季度开始,量产则要等到2022下半年,因此我们也许只能在2023年才得以看到4nm芯片登场。而在3nm节点上,台积电并不打算采用GAA结构,而是继续维持在FinFET。台积电强调,他们对现有的FinFET技术打造了显著的升级,使其能够达到下一代的性能表现。台积电还提到了FinFET的可预见性能使他们在批准时间线内成功交付该制程下的产品。这句话也许才是台积电固守FinFET的根本原因,作为晶圆代工厂,满足客户的交期才是最关键的目标。而GAA这种先进结构,未知性太大,一旦产量和良率无法保证,将对公司造成巨大的打击。

 中芯国际

  中芯国际目前第一代14nm的FinFET已经取得了突破,并在2019年第四季度进入了量产阶段,也是目前大陆自主研发集成电路的最高制程水平。尽管中国大陆的制程工艺比较落后,但中芯国际在更先进制程上的研发早就开始了。中芯国际从28nm直接进入14nm,跳过了20nm的节点,未来也很有很可能直接实现制程飞跃。

  2017年底,中芯国际就已经开始投入研发资金开发7nm工艺。中芯国际的N+1与N+2制程并没有宣称是7nm,也不会采用EUV工艺。只有等到设备就绪后,N+2后的制程将使用EUV进一步推进制程迭代。今年10月11日,主营业务为IP和定制芯片的芯动科技宣布已经完成了基于中芯国际FinFET N+1工艺的芯片流片和测试。据高盛预测,中芯国际在2022年可以成功过渡到7nm工艺,2024年下半年将可以实现5nm工艺。

  从几大公司的研发投入来看,制程突破不仅耗时,而且耗财。像英特尔这样的IDM芯片厂商,出现制程问题后,都触发了一系列负面影响,更不用说其他代工厂了。与此同时,芯片制程的迭代不代表对过去技术的完全抛弃,最新的制程仍将是高性能的代名词,也是AI、5G、自动驾驶等技术的陪绑宣传,但其余制程下的产品仍将在各个应用领域中生根发芽,这也是为什么台积电还在推出N12e新制程的原因。国内虽然起步较晚,但是随着制程工艺的推进愈发困难,相信未来很快就会迎头赶上。

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