關(guān)于三星與臺(tái)積電在4nm上的競爭分析

幾大晶圓廠的Roadmap我們可以看到，TSMC、三星和格芯可能回來明年上馬7nm產(chǎn)線。屆時(shí)新工藝將會(huì)為下一代產(chǎn)品提供更多高性能的芯片。從現(xiàn)在的格局看，Intel也許有稍微落后，但可以肯定的是他們一定會(huì)持續(xù)投入到這個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)日益增加的開發(fā)和制造成本，三星、臺(tái)積電和Intel都探索將芯片集成度提得更高的可能。他們也還在加大研發(fā)，希望在7nm之后的下一代工藝領(lǐng)先于其他競爭對(duì)手。

7nm還沒到來，

圍繞4nm的競爭已經(jīng)開始打響！

7nm工藝的領(lǐng)先者臺(tái)積電計(jì)劃在2019年試產(chǎn)5nm，也就是說在2020之前，我們并不會(huì)看到商用的4nm芯片。落后于臺(tái)積電的格芯在7nm上的投入也有一段時(shí)間，按照他們的說法，這個(gè)工藝將會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，也就是說到2021年，我們應(yīng)該都看不到他們的5nn工藝細(xì)節(jié)。和前面兩家相比，三星的策略似乎顯得有點(diǎn)激進(jìn)。

得益于在EUV方面的提前投入，并率先將新一代光刻機(jī)引入到7nm節(jié)點(diǎn)。這個(gè)領(lǐng)先于所有對(duì)手的決定，讓他們可以在公司布局上走得更前。

在今年的ARM技術(shù)大會(huì)上，三星電子一再強(qiáng)調(diào)他們在7nm的野心，并大談特談他們在2018的計(jì)劃。按照他們的說法，他們將會(huì)迅速推進(jìn)6nm、5nm工藝的發(fā)展，并最早在2020年帶來4nm。這個(gè)領(lǐng)先于所有競爭對(duì)手的規(guī)劃，會(huì)給臺(tái)積電帶來壓力嗎？

率先布局EUV，

三星的優(yōu)勢

雖然三星并不是EUV光刻機(jī)的制造商，三星甚至不是ASML的股東，但公開的信息顯示，三星似乎已經(jīng)在EUV光刻機(jī)的采購和產(chǎn)線布置上全面領(lǐng)先所有競爭對(duì)手。昨天新聞甚至說到三星為其DRAM芯片采購了四臺(tái)EUV光刻機(jī)，提早布局的EUV將會(huì)是三星的一大武器。

隨著摩爾定律的演進(jìn)，傳統(tǒng)193nm光刻機(jī)并不能滿足縮小晶體管的需求，而EUV則被看做是未來先進(jìn)工藝發(fā)展的重要技術(shù)之一。面向尺寸更小、生產(chǎn)速度更高、成本更低等要求的新一代晶體管，只有波長更短的EUV光刻才能達(dá)到這樣的要求。

從表面上看，引入EUV工藝可以大幅提升性能，縮減曝光步驟、光罩?jǐn)?shù)量等制造過程，節(jié)省時(shí)間和成本。不過顯然引入EUV技術(shù)并不容易，其需要投入大量資金購買昂貴的EUV設(shè)備，同時(shí)需要進(jìn)行大量的工藝驗(yàn)證以確保在生產(chǎn)過程中獲得較佳的良率，才能以經(jīng)濟(jì)的成本適用于生產(chǎn)晶元。三星恰恰擁有這個(gè)優(yōu)勢。

由于他們擁有多個(gè)產(chǎn)業(yè)，可以為它的先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝提供資金支持，而它多年來也愿意為此付出巨額的資金；三星也是全球最大的存儲(chǔ)晶元生產(chǎn)企業(yè)， 可以通過在存儲(chǔ)晶元上錘煉先進(jìn)工藝。三星在2015 年7 月即攜IBM，利用EUV 打造7 納米芯片原型，在過去這三年其就采用EUV技術(shù)處理了20萬片晶圓生產(chǎn)SRAM。在256MB的SRAM上，三星甚至實(shí)現(xiàn)了80%的良品率，這是三星在未來競爭中的基礎(chǔ)優(yōu)勢。

在今年十月，韓媒BusinessKorea透露，業(yè)界消息顯示，三星正向荷蘭業(yè)者ASML洽談，打算購買10臺(tái)EUV設(shè)備。EUV極為昂貴，一臺(tái)要價(jià)2,000億韓圓（約1.8億美元）。報(bào)道進(jìn)一步指出，ASML是全球唯一的EUV生產(chǎn)商，今年只制造12臺(tái)，要是其中10臺(tái)都被三星訂走，其他業(yè)者買不到設(shè)備，那么三星的地位就更穩(wěn)了。

在之前，我們也做過很多關(guān)于EUV的報(bào)道。也說到三星將于TSMC和格芯布局EUV。根據(jù)之前的報(bào)道，三星將會(huì)在7nm工藝上引入EUV，但TSMC和格芯在第一代7nm上將會(huì)繼續(xù)采用浸沒式光刻的做法，到第二代才引入。這就使得三星在EUV的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)上領(lǐng)先于競爭對(duì)手。幫助他們在后面的工藝發(fā)展上，走在競爭對(duì)手前面。

5nm和4nm之后，硅晶圓制造商不但在推進(jìn)EUV技術(shù)，他們還在探索FinFET之后的新設(shè)計(jì)，滿足更小設(shè)計(jì)的要求。

FinFET之后的探索，

三星技勝一籌

以前的手機(jī)處理器使用的MOSFET硅晶體管，后來隨著工藝研究，漏電電流逐漸增加，于是業(yè)界都走向了FinFET，這也是現(xiàn)在的主流晶體管。現(xiàn)在隨著制程的推進(jìn)，業(yè)界正在探索在探索新的可能。三星也很早就分享了他們在這方面的見解。

在年初由SEMI主辦的中國國際半導(dǎo)體技術(shù)大會(huì)上，三星指出，隨著7nm的到來，溝道變窄了，那就要求在在設(shè)計(jì)制備的時(shí)候需要從架構(gòu)、溝道材料和工藝制備上進(jìn)行創(chuàng)新，而GAA （Gate-all-around）FET、三五族溝道材料和EUV光刻是對(duì)應(yīng)的最好答案。

他們認(rèn)為在GAA上有兩種方案，一種是水平的，它能夠打破FinFET的限制。另一種是垂直的，能突破更多的物理限制。

在這里，我們介紹一下GAA 。GAA有時(shí)候被稱作橫向納米線場效應(yīng)管。這是一個(gè)周邊環(huán)繞著 gate 的 FinFet 。GAA 晶體管能夠提供比 FinFet 更好的靜電特性，這個(gè)可滿足某些柵極寬度的需求。

從表面上看， GAA 和柵極夾雜在源極和漏極之間的 MOSFET 很類似。另外， GAA 同樣包含了 Finfet ，但和目前 fin 是垂直使用的 Finfet 不同， GAA 的 Finfet 是在旁邊。GAA Fet 包含了三個(gè)或者更多的納米線，形成溝道的納米線懸空且從源極跨到漏極。其尺寸是驚人的。 IMEC 最近介紹的一個(gè) GAA fet 的納米線只有 8nm 直徑。

控制電流流動(dòng)的 HKMG 架構(gòu)能夠填補(bǔ)源極和漏極之間的差距。但是從 FinFet 向 GAA 的轉(zhuǎn)變并不會(huì)有很大的優(yōu)勢，當(dāng)中你只是獲得了對(duì)晶體管靜電性能控制的提升。GAA 最大的提升在于縮小了柵極寬度。這樣你就可以得到一個(gè)全環(huán)繞和一點(diǎn)的靜電性能的控制。當(dāng)然， gate 的縮小是必不可少的。

在今年早些時(shí)候，三星、格羅方德與IBM一起，合伙推出了世界上第一個(gè)基于EUV和GAAFET打造的5nm硅芯片。根據(jù)三星最新的消息，他們將會(huì)在4nm的時(shí)候?qū)AA技術(shù)正是引入。那就意味著5nm之后，三星將會(huì)用GAAFET取代FinFET。三星方面也表示，到時(shí)不排除引入新材料。

對(duì)GAAFET來說，最大的挑戰(zhàn)就是其制造會(huì)比FinFET困難許多。那么其成本會(huì)更加貴。根據(jù)IBS的估算,在5nm節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)一款主流芯片的成本將高達(dá)4.76億美元水平,而7nm節(jié)點(diǎn)的成本僅3.492億,28nm則是0.629億。

大戰(zhàn)已經(jīng)開啟，

三星勝算幾何？

雖然對(duì)消費(fèi)者來說，到2018年甚至2019年，他們都不能從7nm芯片上受益。但是晶圓廠已經(jīng)在這兩項(xiàng)技術(shù)上投入了很多。三星也已經(jīng)開始到處展現(xiàn)他們在上面的成就了。從他們的公開信息我們可以看到，他們似乎對(duì)EUV和GAAFET很有信心，憑借這兩項(xiàng)技術(shù)在4nm上領(lǐng)先于所有競爭對(duì)手。從三星在晶圓廠的表現(xiàn)看來，4nm將會(huì)是他們超越臺(tái)積電的一大重要節(jié)點(diǎn)。

不過我們應(yīng)該看到，三星并不是唯一一個(gè)在EUV和GAA技術(shù)上布局的廠商，其他晶圓廠也在上面的布局應(yīng)該也很快會(huì)面世。雖然目前來看三星表現(xiàn)得很激進(jìn)，領(lǐng)先也很多。但在晶圓代工領(lǐng)域，預(yù)先布局，并不代表你能領(lǐng)先。我們期待看到臺(tái)積電和格芯的更多進(jìn)展，才能做出一個(gè)更公正的評(píng)價(jià)。

舉個(gè)例子，臺(tái)積電一貫以來在研發(fā)先進(jìn)工藝上出了名保守。在研發(fā)16nm工藝的時(shí)候它就先在2014年量產(chǎn)了14nm工藝然后再在2015年引入FinFET工藝，而三星則直接在2015年量產(chǎn)14nmFinFET首次取得在先進(jìn)工藝上對(duì)臺(tái)積電的領(lǐng)先優(yōu)勢。但是在后來的蘋果處理器上發(fā)生的“芯片門”表示，臺(tái)積電還是領(lǐng)先于三星。

另外，我們還要看到，客戶的支持對(duì)于晶圓廠的進(jìn)展有很大的幫助。目前臺(tái)積電前三大客戶分別是蘋果、高通和博通，其次分別是聯(lián)發(fā)科和大陸手機(jī)芯片廠海思；從前五大客戶組合來看，代表手機(jī)芯片是臺(tái)積電最重要客戶群。而這些客戶都是走在芯片制造技術(shù)的前沿，他們給臺(tái)積電的加持，是三星所不能企及的。

而在三星方面，雖然一直有高通在加持，但在今年７月有消息傳出，高通驍龍８４５將會(huì)轉(zhuǎn)向臺(tái)積電生產(chǎn)，這對(duì)三星來說也許會(huì)是一個(gè)障礙。

據(jù)《路透社》七月報(bào)道， 三星執(zhí)行副總裁暨晶圓代工制造業(yè)務(wù)部門的負(fù)責(zé)人 E.S. Jung 表示，三星的晶圓代工業(yè)務(wù)希望未來 5 年內(nèi)把市場占有率提升至 25% 的比例。但聯(lián)想到臺(tái)積電今年的市占達(dá)到了５６％，其高額的利潤將會(huì)成為他們未來技術(shù)競爭的最好保證。再加上大摩早前的報(bào)告指出，存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的超級(jí)周期終于終結(jié)。這個(gè)占三星營收６０％的業(yè)務(wù)的放緩，加上三星本身的“動(dòng)蕩”，會(huì)否阻礙三星未來的發(fā)展，這又給我們提出了疑問。