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    半導體

    半導體先進制程“三雄”爭鋒

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    在當下的半導體先進制程領域中,三星、英特爾、臺積電可謂是三足鼎立,各有千秋。

    三星是IDM和Foundry企業,在存儲器領域長期霸占全球首位,占比約為40%,在全球代工領域排名第二,2021年銷售額達820億美元,躍居全球首位;英特爾是IDM企業,主要以微處理器為主,2021年銷售額達到738億美元,位居全球第二位;而臺積電是全球Foundry企業的首位,占比為54%,2021年銷售額達到565億美元。

    現在,業內總喜歡將摩爾定律作為指引,用來比較誰的工藝制程技術占先。而實際上,全球半導體業自22納米之后,就不再用晶體管的柵長來定義工藝尺寸了,這也導致當下產生了很多分岐,使得三星、英特爾、臺積電之間的競爭顯得撲朔迷離。

    臺積電一家獨大,三星與英特爾伯仲難分

    從銷售額來說,高德納咨詢公司發布數據顯示,三星2021年半導體銷售額達732億美元,市場份額達12.3%。這是三星時隔三年再度力壓英特爾奪回市場份額冠軍。

    三星本就是全球存儲器領域的王者,已經連續霸榜多年,據統計,2021年它的DRAM市占率達到了43.6%,NAND達到了35%。

    連臺積電創始人張忠謀也承認三星如同“700磅的大猩猩”,很有實力。

    三星在2019年曾喊出要砸下133兆韓元(約合1100億美元)發展系統邏輯芯片,及晶圓代工等業務,目的是要在2030年超越臺積電,搶下晶圓代工龍頭的寶座。

    據TrendForce集邦咨詢的數據,盡管三星在2021年第四季的晶圓代工營收突破新高,達到了55.4億美元,但還是屈居第二。因為臺積電的營收達到了驚人的157.5億美元,并且還掌握著全球超過五成的市占率,穩居第一。

    在競爭激烈的3納米制程工藝方面,三星和臺積電的技術路線并不相同,三星首先采用全環繞柵極晶體管(GAA),臺積電則是繼續采用鰭式場效應晶體管(FinFET)架構。

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    自1993年,英特爾從日本NEC手中奪得全球銷售額第一,已經連續稱霸近30年。在半導體工藝制程技術方面,英特爾2003年的應變硅技術、2007年的HKMG技術以及2011年的3D finfet技術,對于全球半導體行業來說都具有著里程碑似的意義。

    但是在2014年,從14納米finfet工藝開始,或許是因為英特爾此前前進的步伐邁的太大了,后面就開始逐漸減速,尤其是在10納米制程工藝期間,耽誤了太長時間。

    近日英特爾在VLSI技術研討會上,給出了有關Intel 4工藝的更多細節。

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    英特爾最新制程工藝路線圖

    (圖片來源:英特爾公司)

    據了解,Intel 4是英特爾首個采用EUV光刻技術的工藝、相較于Intel 7,能夠實現每瓦提升20%的性能。英特爾CEO帕特·基爾辛格宣布于2021年第二季度Intel 4已經進入tape-in階段。

    據傳,Intel 4的性能可能在臺積電的N5及N3E之間。

    Intel 4與TSMC N5及N3E的各項數組對比

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    由此可知,如果Intel 4能實現量產,那么英特爾與臺積電之間的工藝研發差距就將縮小到一年左右。接下來,就要看Intel 20A及Intel 18A的進程,也就是3納米與2納米的比拼。

    從另一方面來說,近期臺積電在美設5納米芯片制造廠,英特爾也欲重振其鼓,計劃在美國亞利桑那州投資200億美元興建兩個晶圓廠,新設代工事業部(IFS),并且同樣計劃在2025年量產2納米。

    目前,先進工藝制程的定義并不統一,各有各的邏輯與說法,但近2-3年來不爭的事實是,包括英特爾在內的全球Fabless大客戶的訂單幾乎全都落入了臺積電的囊中。因此,在現階段,業內的共識都是臺積電暫時獲得領先,所以三星和英特爾都視臺積電為首要競爭對手,這也在情理之中。

    在全球三足鼎立之勢下,臺積電的成功讓業界刮目相看。因為在2020年第一季度,臺積電的營收為103.1億美元,與英特爾的198億美元相比,似乎還“遙不可及”。但在之后的9個季度中,臺積電營收一直穩步呈線性增長;而英特爾則由于業務結構問題,營收只能保持平穩。所以在僅9個季度之后,臺積電就實現了趕超之勢。

    在今年第一季度,臺積電營收為175.7億美元,而英特爾則為184億美元,雙方之間的差距已在毫厘之間。

    今年的第二季度,臺積電在4月14日的財報中披露,預計營收為176億~182億美元,毛利潤率預計在56%-58%之間。而英特爾預計第二季度營收約180億美元,就業績預期而言,臺積電二季度的營收將有望超過英特爾。

    如能實現,就將是臺積電自1986年成立以來,首次在季度營收上超過英特爾。

    臺積電的成功非一日之功,是各種綜合因素的集中體現,除了有張忠謀領軍之外,還取決于它一直在堅守代工文化,服務客戶第一,與半導體設備廠緊密合作,以及加強投資等等。盡管英特爾、三星也有獨到之處,但是不可否認它們都不可能在代工領域如臺積電那樣的高強度的專注,做到集中投資。未來臺積電在全球半導體業中的權重因子可能還會日益增強。

    所以,我的判斷未來在全球代工領域中,可能仍是臺積電一家獨大,而三星與英特爾可能在伯仲之間。

    2納米誰將拔得頭籌

    目前,先進工藝制程已達3納米,今年下半年臺積電、三星都聲稱可能試產2納米。

    對于2納米技術來說,現在還為時尚早。因為它與3納米不同,架構、新型材料以及EUV設備等尚未就緒,所以業界僅是大致預測2025年可能試產。

    從結構上來講,根據國際器件和系統路線圖(IRDS)的規劃,在2021~2022年以后,鰭式場效應晶體管(FinFET)結構將逐步被環繞式柵極(GAAFET)結構所取代。所謂GAAFET結構,是通過更大的柵極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力,從而降低操作電壓、減少漏電流,有效降低芯片運算功耗與操作溫度。

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    英特爾晶體管的創新里程碑

    (圖片來源:英特爾公司)

    隨著芯片制造工藝的進步,硅基芯片材料已無法滿足行業未來進一步發展的需要。2納米的制作過程中或將引入一些新的材料,其中二維材料(如石墨烯、過渡金屬化合物)和一維材料(如碳納米管)引人關注。就碳納米管來說,其具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優良的導熱性??傮w而言,新材料的引入或許會給行業帶來新的變革。

    全球市場化中的競爭是條主線,誰也不甘心落后,這也是摩爾定律的神奇所在,它可以讓企業冒著巨大投資的風險,義無反顧地去追隨它。

    因為按定律的精髓,誰踩空一步,有可能在競爭中出局,實際上也反映巨頭們都試圖通過實現差異化而掌控先機。

    目前臺積電,三星及英特爾都有了2納米的計劃,而且時間都定在2025年左右,顯然誰能真正達成,恐怕要看客戶的公正評價了。

    據臺積電方面消息,它的首個2納米工廠——新竹N2廠正在進行土地取得作業,計劃于2022年第三季度動工。據了解,新竹N2廠將分四期建設,共建設4座12英寸晶圓廠,有望在2024年為蘋果手機量產新一代芯片。這也是迄今為止全球首個報道的2納米生產線。

    臺積電近期在線上首次披露它的N2有關技術情況如下。

    N2制程技術:將采用嶄新的晶體管架構Nanosheet,N2和N3E相比,在同樣功耗下速度增加15%,或是相同速度下,功耗會降低30%,同時芯片密度也將明顯進步。

    N2的創新功能:在高效能運算平臺上,N2將提供晶圓背面的電源系統(backside Power),以全力支持芯粒(Chiplet)的整合,這些創新可以幫客戶提升產品整體性能,特別是速度和功耗。整體來看,N2會更好滿足未來半導體產品創新應用的需求。

    半導體新材料的研發:在高速芯片設計中,低電阻和低電容的金屬變得越來越重要,臺積電正在研發一種新的制程工藝,其中將使用metal-RIE(金屬反應離子式刻蝕),這種新技術可以在導線之間形成真空(airgap)隔離,降低20%~30%導線的有效電容。在導線方面,近幾十年一直以銅為主導材料,當銅導線的厚度非常小時,電阻值會急劇增加,這是未來半導體技術演進的障礙。目前,臺積電正在研究一種新的2D材料,有機會代替銅作為導線。由于2D材料具備獨特的傳導性能,因此電阻受到導線變薄的影響較少,從而保證芯片的高速運算性能。

    另外,可能需要增加一些風險意識,由于釆用了全新的架構、新的材料,以及新的高NA EUV光刻機。另外,不可否認的事實是,不是有了高NA EUV設備就萬事大吉,尚需光刻膠,pellicle等配套,另外定律己近終點,各種隨機誤差都可能發生。因此,在研發2納米時,即便發生一些延誤也完全是可能的。

    筆者認為,對于2納米技術,從工藝技術路徑方面,三巨頭可能無大的差異,都是從FinFET,走向GAA,再有一些變異,而采用的設備都一樣,均為ASML的高NA EUV光刻機。因此,從理論上講,三家都可能成功,其中的差異化在于良率、產能及生產線管理等方面。

    結語

    全球三足鼎立之勢從專業化角度各有所長,英特爾的微處理器、三星的存儲器及臺積電的代工,它是個動態過程,此起彼伏。

    但是從半導體業發展趨勢觀察,半導體市場在2030年可能增大到10000億美元,據英特爾CEO帕特·基辛格的說法,當今時代的四大超級技術力量分別是:無處不在的計算、從云到邊緣的基礎設施、無處不在的連接以及人工智能。

    這四大技術對于未來萬物互聯以及全球數字化時代發展都有很大的推動作用。因此未來究竟誰能占先,可能尚不好預言,但是三強鼎立之勢已成定局,基本上不會有大的改變。


    作者丨特約撰稿 莫大康

    責任編輯:趙強


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