半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的主觀因素和客觀因素

晶圓代工的工藝節(jié)點(diǎn)有許多，做選擇的主觀因素是基于IC設(shè)計(jì)公司對(duì)于工藝和市場(chǎng)的判斷，而客觀因素，則是龍頭代工企業(yè)的產(chǎn)能問(wèn)題。

目前市面上的高端手機(jī)處理器中，除了三星的Exynos芯片之外，幾乎全都采用臺(tái)積電的7nm或其衍生工藝制成，這直接讓臺(tái)積電市值飆升到了2849.23億美元，一舉超過(guò)三星成為了亞洲最有價(jià)值的公司。

臺(tái)積電第三季度財(cái)報(bào)顯示，7nm營(yíng)收占比高達(dá)27%，臺(tái)積電今年新增的2%產(chǎn)能也全投在了這一節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)7nm年產(chǎn)能規(guī)模高達(dá)100萬(wàn)片。盡管如此，臺(tái)積電還是低估了今年的晶圓代工市場(chǎng)，第四季度7nm產(chǎn)能接單全滿，明年上半年也供不應(yīng)求，甚至連16nm、12nm以及10nm也開(kāi)始陷入產(chǎn)能不足的境地。

越來(lái)越細(xì)分的工藝節(jié)點(diǎn)

隨著半導(dǎo)體工藝不斷演進(jìn)，摩爾定律已經(jīng)很難去完美的遵循。于是乎，各種過(guò)渡工藝成為了代工廠的法寶。在臺(tái)積電的原始7nm（N7）和5nm（N5）之間，就有N7P、N7+和6nm（N6）三種選擇，而N5也有一個(gè)增強(qiáng)版本N5P，如此細(xì)分的工藝節(jié)點(diǎn)，究竟在性能上有多大的區(qū)分呢？

根據(jù)集微網(wǎng)此前報(bào)道，N7P 與 N7 的設(shè)計(jì)規(guī)則相同，晶體管密度沒(méi)有增加，但新工藝優(yōu)化了前端（FEOL）和中端（MOL）制程，可在相同功率下將性能提升7%、或在同頻下降低10%的功耗。

N7+引進(jìn)了ASML的EUV設(shè)備，并使用了5層的EUV光罩層。相較于N7工藝，N7+可以將晶體管密度提升了20%，同等功耗水平下能夠提供10%的性能增幅，或者同性能節(jié)省15%的功耗。

N6雖然比N5低一個(gè)版本，但該節(jié)點(diǎn)的量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)比N5還要晚。N6是N7的EUV等效工藝，其使用的EUV光罩層比N7+要多，而且兼容于N7，從而能讓大部分N7客戶更容易升級(jí)到這一節(jié)點(diǎn)。相比于N7，N6晶體管密度提升45％，可帶來(lái)15％的性能提升或20％的功耗下降。

N5是臺(tái)積電明年的重頭戲，目前已知僅有華為和蘋(píng)果將會(huì)倒入這一最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)將全面使用EUV工藝（14-15層），相較于N7節(jié)點(diǎn)， N5的晶體管密度大增80%，并帶來(lái)同功耗15%的性能提升或者同性能30%的節(jié)能。

N5P工藝作為N5的進(jìn)階版，在基礎(chǔ)上采取了FEOL 和 MOL 優(yōu)化。相比于N5，N5P能讓芯片在相同功率下提升7%的性能，或在同頻下降低15%的功耗。

均以N7為基準(zhǔn)，通過(guò)上表不難看出，臺(tái)積電這些細(xì)分節(jié)點(diǎn)每一代之間的區(qū)別并不大。所以，作為手機(jī)CPU廠商來(lái)說(shuō)，最先進(jìn)的工藝不一定是最好的選擇。市場(chǎng)消息透露，N7+流片費(fèi)用為2.1億人民幣，而N5全光罩流片費(fèi)用更高達(dá)3億人民幣，在這些細(xì)分工藝之間的升級(jí)同樣意味著高昂的成本，芯片廠商需要充分考慮個(gè)中商業(yè)因素。

芯片廠商的主觀抉擇

華為麒麟990系列的工藝選擇很好理解，5G版本集成的5G基帶會(huì)占用很多的晶體管，因此選擇了目前最優(yōu)的N7+工藝，而4G版本在GPU和NPU大幅優(yōu)化過(guò)后，N7足矣。

而關(guān)于高通剛剛發(fā)布的驍龍865，外界存在諸多疑問(wèn)，例如“為何不用EUV工藝？”、“為什么不找三星代工？”。集微網(wǎng)記者從第四屆高通驍龍技術(shù)峰會(huì)上獲悉，高通選擇臺(tái)積電的N7P來(lái)代工驍龍865，一方面更符合商業(yè)利益，另一方面能讓供應(yīng)鏈更多樣化，因?yàn)橥瑫r(shí)推出的驍龍765/765G是由三星7nm代工。

值得一提的是，驍龍865的“5G伴侶”驍龍X55基帶同樣是采用了臺(tái)積電的N7P工藝，由于X55大概率將會(huì)被下一代5G iPhone采用，業(yè)內(nèi)人士@手機(jī)晶片達(dá)人 透露，原本高通也打算在三星代工驍龍X55，但蘋(píng)果方面表示僅會(huì)使用臺(tái)積電生產(chǎn)的驍龍X55。

最后，關(guān)于不支持5G的蘋(píng)果A13和聯(lián)發(fā)科的業(yè)界第一顆5G SoC “天璣1000”。前者因?yàn)椴恢С?G，退而求其次選擇N7P工藝，合情合理。那么集成了5G基帶的“天璣1000”為何只使用了臺(tái)積電N7工藝呢？

據(jù)了解， “天璣1000”采用了主頻高達(dá)2.6GHz的4個(gè)ARM Cortex-A77大核，而A77架構(gòu)的性能相比上一代的A76架構(gòu)提升了20%。GPU也采用了最新的ARM Mali-G77 MC9，相比上一代的Mali-G77提升了40%。

有了A77和G77這樣的左膀右臂，聯(lián)發(fā)科或許認(rèn)為N7足矣。更重要的是，N7與N6兼容，聯(lián)發(fā)科作為第一個(gè)試水5G SoC的芯片廠商，一旦采用N7的天璣1000帶來(lái)了不錯(cuò)的營(yíng)收，那么在衍生版本中平滑的升級(jí)到N6將會(huì)幫助聯(lián)發(fā)科進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)。

客觀因素導(dǎo)致群雄逐“產(chǎn)”

各大手機(jī)廠商對(duì)于工藝節(jié)點(diǎn)的選擇，還受到一個(gè)重要的客觀因素影響，那就是臺(tái)積電的產(chǎn)能問(wèn)題。據(jù)了解，臺(tái)積電今年N7+的產(chǎn)能十分稀缺，很難滿足大客戶的批量生產(chǎn)，所以只有麒麟990系列的5G版本采用了該工藝。

所以，對(duì)于臺(tái)積電而言，加購(gòu)EUV機(jī)臺(tái)刻不容緩。因?yàn)镹7之后的每一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)都需要用到EUV設(shè)備，而EUV設(shè)備的年產(chǎn)量十分有限，2018年總產(chǎn)量?jī)H有22臺(tái)，今年雖然增加了產(chǎn)能，但預(yù)計(jì)也只有30臺(tái)左右。

其次，7nm和5nm的擴(kuò)產(chǎn)必須雙管齊下。此前，臺(tái)積電大幅上調(diào)了今年的資本開(kāi)支，從原定110億美元增加到了140-150億美元，增幅超過(guò)40%，其中有25億美元用于5nm工藝擴(kuò)產(chǎn)，剩余用于先進(jìn)工藝研發(fā)和其他工藝產(chǎn)能擴(kuò)充。根據(jù)臺(tái)積電的規(guī)劃，5nm工藝首先在南科Fab 18工廠一期量產(chǎn)，明年Q3機(jī)電室產(chǎn)能達(dá)到5.5萬(wàn)片晶圓/月，F(xiàn)ab 18工廠的二期工程也規(guī)劃了5.5萬(wàn)片晶圓/月的產(chǎn)能。

相比于5nm，臺(tái)積電7nm產(chǎn)能緊張的形勢(shì)更為嚴(yán)峻。因?yàn)?nm目前已知僅有華為海思和蘋(píng)果這兩大客戶，而在7nm方面，明年臺(tái)積電不僅有聯(lián)發(fā)科、高通這兩個(gè)手機(jī)處理器大單，還有來(lái)自電腦CPU和GPU方面的AMD、挖礦機(jī)芯片方面的比特大陸搶奪產(chǎn)能，雖然蘋(píng)果和華為旗艦芯片轉(zhuǎn)向5nm能夠空置出許多7nm產(chǎn)能，但還需要考慮到各類(lèi)中低端5G手機(jī)也將逐漸會(huì)跟進(jìn)到7nm節(jié)點(diǎn)。

可預(yù)期的時(shí)間內(nèi)，市場(chǎng)需求將始終超過(guò)臺(tái)積電的產(chǎn)能水平。

2020年將迎來(lái)5G手機(jī)的第一波爆發(fā)，手機(jī)芯片巨頭群雄逐鹿的好戲一觸即發(fā)，而這“鹿”的其中一面，則將會(huì)是臺(tái)積電的產(chǎn)能。