芯片制程:28nm向3nm的“大跃进”
2020-10-10 13:06:05
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来源:虎嗅

本文来自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:畅秋,头图来自:unsplash

半导体制程发展到28nm节点的时候,就达到了芯片性能与成本的完美平衡。然而,市场和应用需求并没有到此停止,特别是以智能手机为代表的便携式电子产品的快速迭代,对芯片的PPA提出了更高的要求,打破了性能与成本的平衡状态,为了得到更小尺寸,更高性能的芯片,成本已被一些产商放在了次要位置(前提是有巨量的芯片需求,从而可以摊薄单个芯片成本)。

因此,在最近5年左右的时间内,28nm之后的先进制程技术迭代速度超过了之前所有制程节点的发展速度,14nm、10nm、7nm、5nm,以及2022年就可以实现量产的3nm制程,不断刷新着业界对先进制程技术的认知,虽然能够实现量产的厂商越来越少,但对其产品的追求者似乎越来越多。

28nm

在设计成本不断上升的情况下,只有少数客户能负担得起转向高级制程节点的费用。因此,就单位芯片成本而言,28nm优势明显,可以保持较长生命周期。一方面,相较于40nm及更落后制程,28nm工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具有显著的优势。另一方面,由于20nm及更先进制程采用FinFET技术,维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大,每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程。

虽然高端市场会被 7nm、10nm以及14nm/16nm工艺占据,但40nm、28nm等并不会退出。如28nm和16nm工艺现在仍然是台积电的营收主力,中芯国际则在持续提高28nm良率。

目前,业内的28nm制程主要在台积电,GF(格芯),联电,三星和中芯国际这5家之间竞争。

台积电的28nm制程在2011年投入量产后,营收占比只用了一年时间就从2%爬升到了22%,迅速扩张的先进产能帮助台积电在每一个先进制程节点都能抢占客户资源、扩大先发优势,并使其产能结构明显优于竞争对手,用更高的产品附加值带来了更高的毛利率。

对于重点发展特殊工艺的联电来说,28nm是其重点业务版块,为此,该公司还放弃了14nm以下先进制程的研发工作。

作为中国大陆第一家制程工艺达到28nm,且同时提供28纳米PolySiON、28纳米HKMG工艺的晶圆代工企业,中芯国际在国内有多个工厂,而其28nm制程产品主要在位于北京的两座中芯北方工厂生产。

另外,近几年,SOI工艺快速崛起,这在很大程度上得益于格芯的大力推动。业内人士普遍认为,对于SOI工艺来说,28nm制程更具优势,可以撑很久,而且当工艺再往前演进时,SOI会越来越有优势。28nm算是一个分界点。到了这个节点,工艺可以很轻松的转换到SOI,而且目前有越来越多的EDA工具支持这种转变。

14nm

具有或即将具有14nm制程产能的厂商主要有7家,分别是:英特尔、台积电、三星、格芯、联电、中芯国际和华虹。

目前来看,14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等制造。对于各厂商而言,该制程也是收入的主要来源,特别是英特尔,14nm是其目前的主要制程工艺,以该公司的体量而言,其带来的收入可想而知。而对于中国大陆本土的晶圆代工厂来说,特别是中芯国际,14nm制程技术已经在今年实现量产。这样,在两三年后,随着新产能的成熟,14nm制程的市场格局值得期待。

自2015年正式推出14nm制程后,英特尔已经对其依赖了4年的时间,该制程也为这家半导体巨头带来了非常可观的收入。从Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+)、Coffee Lake(14nm++),到2018年推出的14nm+++,该公司一直在保持对14nm制程的更新。而英特尔原计划在2016年推出10nm,但经历了多次延迟,2019年才姗姗来迟,从这里也可以看出该公司对14nm制程的倚重程度。

台积电于2015下半年量产16nm FinFET制程。与三星和英特尔相比,尽管它们的节点命名有所不同,三星和英特尔是14nm,台积电是16nm,但在实际制程工艺水平上处于同一世代。

目前,16nm制程依然是台积电营收的主力军,贡献率约为25%。

14nm是格芯最先进的主流制程工艺,位于美国纽约州马耳他,这里除了14nm,还有28nm的,最大产能为6万片晶圆/月,主要采用12英寸晶圆。主要用于代工高端处理器。目前来看,14nm产能占其总营收的比例较小。

联电方面,该公司位于台南的Fab 12A于2002年进入量产,目前已运用14nm制程为客户代工产品。然而,联电的14nm制程占比只有3%左右,并不是其主力产线。这与该公司的发展策略直接相关,联电重点发展特殊工艺。

12nm

中国大陆手机市场庞大,且中端和中低端占据着出货量的大头儿,这就给了中端手机处理器芯片绝佳的发展机会,相应的12nm制程技术的市场份额也就水涨船高了。

从目前的晶圆代工市场来看,具备12nm制程技术能力的厂商也不多,主要有台积电、格芯、三星电子和联电。联电于2018年宣布停止12nm及更先进制程工艺的研发。因此,目前来看,全球晶圆代工市场,12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星这三家,这一点,从近两年市场推出的各种芯片也可见一斑。

2018年8月,华为发布了中端芯片麒麟710,采用的就是12nm制程,用在了当时的中端机型、在海外被称为Mate 20 Lite上。

联发科则是12nm芯片的主力军,代表产品多是中端芯片,具体包括:Helio P22,采用台积电12nm FinFET工艺制造;Helio P60;Helio A 系列产品,该公司称其把高端产品功能下放到了用户基数庞大的大众市场。该系列的首款产品为Helio A22。

在中国大陆,紫光展锐最近几年在中端和中低端市场的拓展力度也很大,并逐步扩大着市场占有率,而在即将到来的5G市场,该公司推出了春藤510,采用了台积电12nm制程工艺。

除了手机处理器之外,AMD的显卡RX 590也采用了12nm制程代工生产,而这款产品的代工厂为格芯和三星两家。由于AMD与格芯的深厚关系,其很多芯片都是由格芯代工的,但随着格芯宣布退出10nm及更先进制程的研发和投入,使得AMD不得不将先进产品分给了三星和台积电代工,从而分散了格芯的订单。

10nm

到目前为止,有公开的10nm规划,且已经或即将量产该工艺节点芯片的厂商,只有台积电、三星和英特尔这三家。此外,中芯国际很可能也在进行着10nm、7nm制程的研发工作,但具体情况还未公开。

台积电早在2013年就开始了10nm工艺的研发。而按照早期规划,台积电的计划是 2016 年第四季度量产10nm工艺。而实际量产时间与其规划基本吻合,2017年初实现了量产,标志性应用就是苹果的A11处理器,这给台积电带来了巨大的收益。

不过,量产后,台积电10nm营收的比例基本持平,且相对份额不高,28nm和16nm一直是该公司收入的主要来源。

英特尔也早就开始了10nm的研发,原计划是在2016年量产,当时,EUV还不成熟,因此,英特尔选择了多重四图案曝光(SAQP)技术,但研发过程中遭遇困难,导致10nm量产时间一再推迟。而从当时的情况来看,采用SAQP技术造成良率较低可能是迟迟无法规模量产的主要原因。

在那之后,英特尔一直未对外公布10nm量产进度,2017年初,时任英特尔CEO科再奇在美国CES展会前,宣布首颗10nm处理器Cannon Lake就绪,将迎战台积电和三星。然而,没过多久,英特尔官方对外发布了继承当年主打的第七代核心处理器Kaby Lake的第八代Core处理器细节,表示仍将采用14nm制程生产,10nm量产时间又被延迟了。经过多年的周折和延迟,英特尔的10nm终于在2019年底实现量产。

2015年7月,三星电子旗下的制造部门Samsung Foundry的Kelvin Low 在网上发布了一段视频,确认三星已经将 10nm FinFET 工艺正式加入路线图。

2017年,几乎与台积电同步量产10nm制程后,三星将大部分的高通骁龙处理器订单收至麾下。不过,为了赶上台积电7nm制程量产的步伐,三星在10nm上花费的精力和时间也比较有限,2019年,三星的7nm制程收到了高通骁龙765的订单。而与台积电相似,将规划的重点放在了未来的5nm和3nm上,10nm也是昙花一现。

7nm

目前,能够量产7nm芯片的只有台积电和三星这两家。

台积电方面,7nm在2017年底就有试产,2018年实现小批量生产,大规模量产是在2019年,在2019年第二季开始量产N7+(EUV的),与N7相比,N7+的逻辑密度比N7提高15%至20%,同时降低了功耗。

台积电7nm工艺量产后,2019年有100多个芯片陆续流片,包括CPU、GPU、AI、加密货币芯片、网络通信、5G、自动驾驶等芯片。客户包括苹果、华为海思、联发科、高通、英伟达、AMD、赛灵思、比特大陆等。苹果的A13处理器、海思的5G基站芯片,以及AMD的GPU、CPU和服务器芯片都集中在2019下半年出货,且都在争取台积电7nm产能,使其相关产线处于满负荷运转状态,交货时间从原本的2个月拉长到半年,客户一直在排队抢产能。

目前来看,台积电的7nm产能依然很抢手。据悉,今年下半年,台积电的7nm产能将增至每月14万片。这其中,AMD占据着不小的份额,由于该公司最近两年快速崛起,其在台积电的订单量也大增,据悉,今年,AMD的7nm订单将增加一倍,每月需要3万片晶圆的产能,占台积电7nm晶圆总产能的21%。此外,高通占台积电7nm产能的比例在18%左右,联发科将占14%。

与台积电相比,三星7nm的产能利用率则逊色了很多,在量产初期,是以10K左右的少量量产开始的,随着客户下单量增加,持续提升产能。

初期,除了三星自家之外,三星7nm EUV的客户只有IBM,双方曾对外表示将合作开发下一代高性能Power处理器。另外两个大客户是英伟达和高通。

今年2月,三星宣布,在韩国华城工业园新开一条专司EUV技术的晶圆代工产线V1,主要用于量产7nm。目前,V1已经投入7nm和6nm EUV移动芯片的生产工作,未来可代工到最高3nm水平。根据三星规划,到2020年底,V1产线的总投入将达60亿美元,7nm及更先进制程的总产能将是2019年的3倍。

6nm

6nm是7nm与5nm之间的过渡制程工艺。

台积电于2019年4月推出了6nm制程(N6),设计方法与7nm工艺完全兼容,随着EUV技术的进一步应用,N6的逻辑密度将比N7提高18%。根据规划,台积电的6nm制程于2020年第一季度试产,并于年底前进入量产。

三星方面,该公司于2019 年初宣布第一个基于EUV技术的6nm客户开始流片。此外,三星原计划在2020年推出6nm LPE版本。三星6nm在7nm EUV基础上,运用其Smart Scaling技术,缩小芯片面积并降低了功耗。

5nm

目前,只有台积电实现了5nm制程的量产。因此,台积电的5nm继其7nm之后,又成为了业界的香饽饽,产能供不应求。

首先,苹果A14处理器和华为海思新款5G规格Kirin手机芯片是台积电5nm工艺的首批两大客户,此外,高通5G芯片X60及新一代骁龙875手机芯片,也将采用5nm。供应链人士称,今年,苹果包下了台积电三分之二的5nm产能。

此外,业界大红大紫的AMD也在争取台积电的5nm订单,估计明年会出货。至于联发科、英伟达、赛灵思、比特大陆等重要客户,也都在后边排队等候台积电的5nm产能。在这种情况下,台积电计划将5nm月产能由原本的5万片提升至8万片。

三星也在加码研发5nm工艺,三星此前透露的信息显示,5nm LPE(5nm Low Power Early)工艺原计划今年上半年投入量产,但从目前的情况来看,量产要等到2021年了。主要客户是高通。

3nm

台积电的3nm预计于2022年实现量产,到时候,首批大客户很可能还是苹果。另外,有消息称英特尔最新的GPU也可能会交由台积电的3nm产线生产。

而三星有希望超越台积电的制程可能是3nm,因为三星是第一家官宣使用全新GAA晶体管的,在3nm节点将会用GAA环绕栅极晶体管取代FinFET晶体管,而台积电依然会使用FinFET技术。三星希望2021年量产3nm工艺,而今年上半年完成3nm工艺开发。实际进度是否能够与宣传一致,拭目以待。

本文来自微信公众号:半导体行业观察(ID:icbank),作者:畅秋

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