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2nm工艺之争,台积电能否稳做晶圆代工“一哥”?

2021-12-10 13:51:41 黄烨锋 阅读:
台积电的路线是目前最正的,N7->N5->N3是为完整迭代的几个工艺节点,步子也迈得相当稳健;当然其中作为同代节点增强或演进的N6、N4等发展也挺顺遂。不过这其中的变数,最近似乎又多了一些。

台积电在7nm工艺节点上,领先于三星和Intel是既定事实。而且这个优势也延续到了当前已大规模量产的5nm工艺,以及大概率5nm衍生出的4nm,和下一代3nm工艺节点上。TsUednc

当前三个尖端工艺foundry厂,在工艺节点迈进上已经产生了较大的分歧。TsUednc

在Intel的第三代10nm工艺改名之后,Intel 7工艺的下一个迭代节点是Intel 4,后续是Intel 3、Intel 20A和Intel 18A。Intel 3恐怕是赶不上与另外两家3nm工艺的竞争了。TsUednc

TsUednc

本表仅供参考,发货时间节点需以最终产品为准TsUednc

而在三星这边,2019年三星原本规划7LPP之后的下一个完整节点是3nm GAA(而5nm在三星的工艺路线中属于半代工艺);但后来三星对这一规划做了更新,7LPP之后的完整迭代改做4LPE。所以4nm成为三星接下来一段时间的发展重点。当然三星在3nm节点率先采用GAA结构的晶体管,也是如今热议的焦点。TsUednc

台积电的路线是目前最正的,N7->N5->N3是为完整迭代的几个工艺节点,步子也迈得相当稳健;当然其中作为同代节点增强或演进的N6、N4等发展也挺顺遂。不过这其中的变数,最近似乎又多了一些。TsUednc

台积电N3工艺目前进展

分析机构SemiAnalysis的消息称,台积电N3工艺可能目前正在遭遇良率不及预期,金属堆栈性能不佳,以及造价昂贵的问题,应当是赶不上明年的iPhone 14了。N3的出货时间基本在2023年第一季度。TsUednc

10月月中,台积电就其工艺做了一些重要发布,包括缺芯及其N3工艺的进展。台积电CEO魏哲家表示,2022年下半年N3将进入大规模量产,但预计N3产生的营收要到2023年第一季度才会表现出来,毕竟转变为产品还是需要一个周期。大规模量产和出货时间的确还是有时间差的,出货才能转为营收。TsUednc

在大规模量产之前,一般都会有个风险生产(risk production)阶段。实际上10月月中台积电还是在说,N3风险生产计划在2021年——今年其实也就剩下不多的时间了。起码这个消息表明,10月之时N3的风险生产还没有开始。TsUednc

如此看来,从N5和N3工艺的出货起始点,中间隔了大约两年半。从晶圆出货的角度来看,实际上N3可能延后了大约6个月。这与N3工艺更高的复杂度是有莫大关联的。TsUednc

在EUV极紫外光刻的使用上,N3针对每片晶圆大约需要用到30-35次EUV曝光。以台积电当前的EUV光刻机保有量,以及输出能力,N3每月可达成的产量大约是15000片wafer。这还没有考虑到光刻以外步骤的复杂性。从这个角度来说,N3工艺制造周期也会比N5更久,延后似乎也顺理成章。TsUednc

SemiAnalysis的分析预计,N3 wafer的成本每片会超过20000美元。TsUednc

N3之后的N3E

在N3之后1年,台积电N3E大约会随之而来。如文首所述,在完整迭代工艺之外,当前的foundry厂普遍还会推半代工艺(或说针对现有公司的BKM更新),6nm、4nm都是这样的产物(三星4nm工艺是一个完整迭代的节点)。TsUednc

台积电针对完整节点的命名规则,通常会先有个工艺性能增强版,尔后再在工艺数字上做文章。比如说N5工艺,随之而来的就有N5P,以及后面的N4。TsUednc

从最新的消息来看,N3之后的增强版叫做N3E。魏哲家表示,N3E作为增强版制造工艺,会有更好的性能、功耗表现和生产效益。N3E量产会在N3工艺1年以后。N3E的大部分设计规则都与N3相似;成本上两者差不多,“但我相信客户能够享受到更好的生产效益、良率,以及晶体管性能。”TsUednc

2nm时代的不确定性

我们认为,直到N3/N3E之时,台积电在制造技术上的优势仍然是存在的。这一时期台积电的主要竞争对手,三星3nm工艺存在着相当的不确定性。这一点我们在《电子工程专辑》的技术解读文章中已经做过一些分析。后续我们会对3nm在技术层面做进一步的前瞻解析。TsUednc

但N3以后的发展可能存在更大的不确定性。去年年初,Intel曾在摩根士丹利会议上承认暂时失去在芯片制造工艺方面的优势地位,到5nm时代才能重回领导地位。在此之后,Intel又宣布了7nm计划延后。那个时候Intel的工艺还没有改名。现在7nm已经改名为Intel 4;而原计划的5nm则已经改名为Intel 20A(A是埃米的意思)。这次改名总算是在命名上,让Intel站在了台积电、三星的同一起跑点。TsUednc

如果Intel技术进度不变,则理论上Intel需要在20A(或者传统意义上的2nm)节点上重回昔日地位。TsUednc

当然口说肯定是无凭的,不过台积电N3工艺某种程度上的延后,对其后续与三星和Intel在2nm节点上的竞争是有影响的。三星和Intel也都期望,并表达过2nm能够在技术上取得领先优势。这对这两家foundry厂而言自然是机会。TsUednc

魏哲家近期评论2nm工艺时提到:“2025年,我们的2nm技术在密度和性能方面都将是最具有竞争力的。”那么我们知道,计划中台积电2nm工艺会在2025年到来。TsUednc

三星上个月月初也谈到了自家的2nm工艺,表示其2nm工艺大规模量产的时间在2025年下半年。而且三星在2nm节点上相比台积电和Intel都有个优势,即因为其3nm工艺就已经开始采用GAAFET晶体管,就能为2nm工艺提供相当好的技术经验;三星Foundry业务负责人Siyoung Choi说,2nm将是三星的第三代GAA工艺技术。这样的先发优势是台积电没有的。TsUednc

而Intel 20A工艺此前宣布的时间似乎还早于2025年。Intel 2025年下半年规划将要量产的是Intel 18A。当然我们现在尚不清楚到时这几家的2nm工艺是否能放到一起比较,以及没有考虑foundry厂普遍爱放卫星的传统...TsUednc

不过市场有这样的变化,才能持续盘活。实际上以foundry厂的传统,现在谈2025年真的为时过早,中间更多技术、工程上的变数还会很多。往后的尖端制造工艺,大概是一盘谁也没有底气说自己稳赢的棋局。TsUednc

责编:DemiTsUednc

黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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