半導(dǎo)體制程發(fā)展：28nm向3nm的“大躍進(jìn)”

半導(dǎo)體制程發(fā)展到28nm節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，就達(dá)到了芯片性能與成本的完美平衡。然而，市場(chǎng)和應(yīng)用需求并沒(méi)有到此停止，特別是以智能手機(jī)為代表的便攜式電子產(chǎn)品的快速迭代，對(duì)芯片的PPA提出了更高的要求，打破了性能與成本的平衡狀態(tài)，為了得到更小尺寸，更高性能的芯片，成本已被一些產(chǎn)商放在了次要位置（前提是有巨量的芯片需求，從而可以攤薄單個(gè)芯片成本）。因此，在最近5年左右的時(shí)間內(nèi)，28nm之后的先進(jìn)制程技術(shù)迭代速度超過(guò)了之前所有制程節(jié)點(diǎn)的發(fā)展速度，14nm、10nm、7nm、5nm，以及2022年就可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的3nm制程，不斷刷新著業(yè)界對(duì)先進(jìn)制程技術(shù)的認(rèn)知，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的廠商越來(lái)越少，但對(duì)其產(chǎn)品的追求者似乎越來(lái)越多。

28nm

在設(shè)計(jì)成本不斷上升的情況下，只有少數(shù)客戶能負(fù)擔(dān)得起轉(zhuǎn)向高級(jí)制程節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用。因此，就單位芯片成本而言，28nm優(yōu)勢(shì)明顯，可以保持較長(zhǎng)生命周期。一方面，相較于40nm及更落后制程，28nm工藝在頻率調(diào)節(jié)、功耗控制、散熱管理和尺寸壓縮方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。另一方面，由于20nm及更先進(jìn)制程采用FinFET技術(shù)，維持高參數(shù)良率以及低缺陷密度難度加大，每個(gè)邏輯閘的成本都要高于28nm制程。 雖然高端市場(chǎng)會(huì)被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據(jù)，但40nm、28nm等并不會(huì)退出。如28nm和16nm工藝現(xiàn)在仍然是臺(tái)積電的營(yíng)收主力，中芯國(guó)際則在持續(xù)提高28nm良率。 目前，業(yè)內(nèi)的28nm制程主要在臺(tái)積電，GF（格芯），聯(lián)電，三星和中芯國(guó)際這5家之間競(jìng)爭(zhēng)。 臺(tái)積電的28nm制程在2011年投入量產(chǎn)后，營(yíng)收占比只用了一年時(shí)間就從2%爬升到了22%，迅速擴(kuò)張的先進(jìn)產(chǎn)能幫助臺(tái)積電在每一個(gè)先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)都能搶占客戶資源、擴(kuò)大先發(fā)優(yōu)勢(shì)，并使其產(chǎn)能結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，用更高的產(chǎn)品附加值帶來(lái)了更高的毛利率。 對(duì)于重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝的聯(lián)電來(lái)說(shuō)，28nm是其重點(diǎn)業(yè)務(wù)版塊，為此，該公司還放棄了14nm以下先進(jìn)制程的研發(fā)工作。 作為中國(guó)大陸第一家制程工藝達(dá)到28nm，且同時(shí)提供28納米PolySiON、28納米HKMG工藝的晶圓代工企業(yè)，中芯國(guó)際在國(guó)內(nèi)有多個(gè)工廠，而其28nm制程產(chǎn)品主要在位于北京的兩座中芯北方工廠生產(chǎn)。 另外，近幾年，SOI工藝快速崛起，這在很大程度上得益于格芯的大力推動(dòng)。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，對(duì)于SOI工藝來(lái)說(shuō)，28nm制程更具優(yōu)勢(shì)，可以撐很久，而且當(dāng)工藝再往前演進(jìn)時(shí)，SOI會(huì)越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)。28nm算是一個(gè)分界點(diǎn)。到了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，工藝可以很輕松的轉(zhuǎn)換到SOI，而且目前有越來(lái)越多的EDA工具支持這種轉(zhuǎn)變。

14nm

具有或即將具有14nm制程產(chǎn)能的廠商主要有7家，分別是：英特爾、臺(tái)積電、三星、格芯、聯(lián)電、中芯國(guó)際和華虹。 目前來(lái)看，14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機(jī)ASIC、FPGA、汽車(chē)半導(dǎo)體等制造。對(duì)于各廠商而言，該制程也是收入的主要來(lái)源，特別是英特爾，14nm是其目前的主要制程工藝，以該公司的體量而言，其帶來(lái)的收入可想而知。而對(duì)于中國(guó)大陸本土的晶圓代工廠來(lái)說(shuō)，特別是中芯國(guó)際，14nm制程技術(shù)已經(jīng)在今年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這樣，在兩三年后，隨著新產(chǎn)能的成熟，14nm制程的市場(chǎng)格局值得期待。 自2015年正式推出14nm制程后，英特爾已經(jīng)對(duì)其依賴了4年的時(shí)間，該制程也為這家半導(dǎo)體巨頭帶來(lái)了非?？捎^的收入。從Skylake（14nm）、Kaby Lake（14nm+）、Coffee Lake（14nm++），到2018年推出的14nm+++，該公司一直在保持對(duì)14nm制程的更新。而英特爾原計(jì)劃在2016年推出10nm，但經(jīng)歷了多次延遲，2019年才姍姍來(lái)遲，從這里也可以看出該公司對(duì)14nm制程的倚重程度。 臺(tái)積電于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比，盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同，三星和英特爾是14nm，臺(tái)積電是16nm，但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代。 目前，16nm制程依然是臺(tái)積電營(yíng)收的主力軍，貢獻(xiàn)率約為25%。 14nm是格芯最先進(jìn)的主流制程工藝，位于美國(guó)紐約州馬耳他，這里除了14nm，還有28nm的，最大產(chǎn)能為6萬(wàn)片晶圓/月，主要采用12英寸晶圓。主要用于代工高端處理器。目前來(lái)看，14nm產(chǎn)能占其總營(yíng)收的比例較小。 聯(lián)電方面，該公司位于臺(tái)南的Fab 12A于2002年進(jìn)入量產(chǎn)，目前已運(yùn)用14nm制程為客戶代工產(chǎn)品。然而，聯(lián)電的14nm制程占比只有3%左右，并不是其主力產(chǎn)線。這與該公司的發(fā)展策略直接相關(guān)，聯(lián)電重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝。

12nm

中國(guó)大陸手機(jī)市場(chǎng)龐大，且中端和中低端占據(jù)著出貨量的大頭兒，這就給了中端手機(jī)處理器芯片絕佳的發(fā)展機(jī)會(huì)，相應(yīng)的12nm制程技術(shù)的市場(chǎng)份額也就水漲船高了。 從目前的晶圓代工市場(chǎng)來(lái)看，具備12nm制程技術(shù)能力的廠商也不多，主要有臺(tái)積電、格芯、三星電子和聯(lián)電。聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進(jìn)制程工藝的研發(fā)。因此，目前來(lái)看，全球晶圓代工市場(chǎng)，12nm的主要玩家就是臺(tái)積電、格芯和三星這三家，這一點(diǎn)，從近兩年市場(chǎng)推出的各種芯片也可見(jiàn)一斑。 2018年8月，華為發(fā)布了中端芯片麒麟710，采用的就是12nm制程，用在了當(dāng)時(shí)的中端機(jī)型、在海外被稱(chēng)為Mate 20 Lite上。 聯(lián)發(fā)科則是12nm芯片的主力軍，代表產(chǎn)品多是中端芯片，具體包括：Helio P22，采用臺(tái)積電12nm FinFET工藝制造；Helio P60；Helio A 系列產(chǎn)品，該公司稱(chēng)其把高端產(chǎn)品功能下放到了用戶基數(shù)龐大的大眾市場(chǎng)。該系列的首款產(chǎn)品為Helio A22。 在中國(guó)大陸，紫光展銳最近幾年在中端和中低端市場(chǎng)的拓展力度也很大，并逐步擴(kuò)大著市場(chǎng)占有率，而在即將到來(lái)的5G市場(chǎng)，該公司推出了春藤510，采用了臺(tái)積電12nm制程工藝。 除了手機(jī)處理器之外，AMD的顯卡RX 590也采用了12nm制程代工生產(chǎn)，而這款產(chǎn)品的代工廠為格芯和三星兩家。由于AMD與格芯的深厚關(guān)系，其很多芯片都是由格芯代工的，但隨著格芯宣布退出10nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)和投入，使得AMD不得不將先進(jìn)產(chǎn)品分給了三星和臺(tái)積電代工，從而分散了格芯的訂單。

10nm

到目前為止，有公開(kāi)的10nm規(guī)劃，且已經(jīng)或即將量產(chǎn)該工藝節(jié)點(diǎn)芯片的廠商，只有臺(tái)積電、三星和英特爾這三家。此外，中芯國(guó)際很可能也在進(jìn)行著10nm、7nm制程的研發(fā)工作，但具體情況還未公開(kāi)。 臺(tái)積電早在2013年就開(kāi)始了10nm工藝的研發(fā)。而按照早期規(guī)劃，臺(tái)積電的計(jì)劃是 2016 年第四季度量產(chǎn)10nm工藝。而實(shí)際量產(chǎn)時(shí)間與其規(guī)劃基本吻合，2017年初實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，標(biāo)志性應(yīng)用就是蘋(píng)果的A11處理器，這給臺(tái)積電帶來(lái)了巨大的收益。 不過(guò)，量產(chǎn)后，臺(tái)積電10nm營(yíng)收的比例基本持平，且相對(duì)份額不高，28nm和16nm一直是該公司收入的主要來(lái)源。 英特爾也早就開(kāi)始了10nm的研發(fā)，原計(jì)劃是在2016年量產(chǎn)，當(dāng)時(shí)，EUV還不成熟，因此，英特爾選擇了多重四圖案曝光（SAQP）技術(shù)，但研發(fā)過(guò)程中遭遇困難，導(dǎo)致10nm量產(chǎn)時(shí)間一再推遲。而從當(dāng)時(shí)的情況來(lái)看，采用SAQP技術(shù)造成良率較低可能是遲遲無(wú)法規(guī)模量產(chǎn)的主要原因。 在那之后，英特爾一直未對(duì)外公布10nm量產(chǎn)進(jìn)度，2017年初，時(shí)任英特爾CEO科再奇在美國(guó)CES展會(huì)前，宣布首顆10nm處理器Cannon Lake就緒，將迎戰(zhàn)臺(tái)積電和三星。然而，沒(méi)過(guò)多久，英特爾官方對(duì)外發(fā)布了繼承當(dāng)年主打的第七代核心處理器Kaby Lake的第八代Core處理器細(xì)節(jié)，表示仍將采用14nm制程生產(chǎn)，10nm量產(chǎn)時(shí)間又被延遲了。經(jīng)過(guò)多年的周折和延遲，英特爾的10nm終于在2019年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 2015年7月，三星電子旗下的制造部門(mén)Samsung Foundry的Kelvin Low 在網(wǎng)上發(fā)布了一段視頻，確認(rèn)三星已經(jīng)將 10nm FinFET 工藝正式加入路線圖。 2017年，幾乎與臺(tái)積電同步量產(chǎn)10nm制程后，三星將大部分的高通驍龍?zhí)幚砥饔唵问罩流庀?。不過(guò)，為了趕上臺(tái)積電7nm制程量產(chǎn)的步伐，三星在10nm上花費(fèi)的精力和時(shí)間也比較有限，2019年，三星的7nm制程收到了高通驍龍765的訂單。而與臺(tái)積電相似，將規(guī)劃的重點(diǎn)放在了未來(lái)的5nm和3nm上，10nm也是曇花一現(xiàn)。

7nm

目前，能夠量產(chǎn)7nm芯片的只有臺(tái)積電和三星這兩家。 臺(tái)積電方面，7nm在2017年底就有試產(chǎn)，2018年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，大規(guī)模量產(chǎn)是在2019年，在2019年第二季開(kāi)始量產(chǎn)N7+（EUV的），與N7相比，N7+的邏輯密度比N7提高15%至20%，同時(shí)降低了功耗。 臺(tái)積電7nm工藝量產(chǎn)后，2019年有100多個(gè)芯片陸續(xù)流片，包括CPU、GPU、AI、加密貨幣芯片、網(wǎng)絡(luò)通信、5G、自動(dòng)駕駛等芯片?？蛻舭ㄌO(píng)果、華為海思、聯(lián)發(fā)科、高通、英偉達(dá)、AMD、賽靈思、比特大陸等。蘋(píng)果的A13處理器、海思的5G基站芯片，以及AMD的GPU、CPU和服務(wù)器芯片都集中在2019下半年出貨，且都在爭(zhēng)取臺(tái)積電7nm產(chǎn)能，使其相關(guān)產(chǎn)線處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，交貨時(shí)間從原本的2個(gè)月拉長(zhǎng)到半年，客戶一直在排隊(duì)搶產(chǎn)能。 目前來(lái)看，臺(tái)積電的7nm產(chǎn)能依然很搶手。據(jù)悉，今年下半年，臺(tái)積電的7nm產(chǎn)能將增至每月14萬(wàn)片。這其中，AMD占據(jù)著不小的份額，由于該公司最近兩年快速崛起，其在臺(tái)積電的訂單量也大增，據(jù)悉，今年，AMD的7nm訂單將增加一倍，每月需要3萬(wàn)片晶圓的產(chǎn)能，占臺(tái)積電7nm晶圓總產(chǎn)能的21%。此外，高通占臺(tái)積電7nm產(chǎn)能的比例在18%左右，聯(lián)發(fā)科將占14%。 與臺(tái)積電相比，三星7nm的產(chǎn)能利用率則遜色了很多，在量產(chǎn)初期，是以10K左右的少量量產(chǎn)開(kāi)始的，隨著客戶下單量增加，持續(xù)提升產(chǎn)能。 初期，除了三星自家之外，三星7nm EUV的客戶只有IBM，雙方曾對(duì)外表示將合作開(kāi)發(fā)下一代高性能Power處理器。另外兩個(gè)大客戶是英偉達(dá)和高通。 今年2月，三星宣布，在韓國(guó)華城工業(yè)園新開(kāi)一條專(zhuān)司EUV技術(shù)的晶圓代工產(chǎn)線V1，主要用于量產(chǎn)7nm。目前，V1已經(jīng)投入7nm和6nm EUV移動(dòng)芯片的生產(chǎn)工作，未來(lái)可代工到最高3nm水平。根據(jù)三星規(guī)劃，到2020年底，V1產(chǎn)線的總投入將達(dá)60億美元，7nm及更先進(jìn)制程的總產(chǎn)能將是2019年的3倍。

6nm

6nm是7nm與5nm之間的過(guò)渡制程工藝。 臺(tái)積電于2019年4月推出了6nm制程（N6），設(shè)計(jì)方法與7nm工藝完全兼容，隨著EUV技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，N6的邏輯密度將比N7提高18%。根據(jù)規(guī)劃，臺(tái)積電的6nm制程于2020年第一季度試產(chǎn)，并于年底前進(jìn)入量產(chǎn)。 三星方面，該公司于2019 年初宣布第一個(gè)基于EUV技術(shù)的6nm客戶開(kāi)始流片。此外，三星原計(jì)劃在2020年推出6nm LPE版本。三星6nm在7nm EUV基礎(chǔ)上，運(yùn)用其Smart Scaling技術(shù)，縮小芯片面積并降低了功耗。

5nm

目前，只有臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了5nm制程的量產(chǎn)。因此，臺(tái)積電的5nm繼其7nm之后，又成為了業(yè)界的香餑餑，產(chǎn)能供不應(yīng)求。 首先，蘋(píng)果A14處理器和華為海思新款5G規(guī)格Kirin手機(jī)芯片是臺(tái)積電5nm工藝的首批兩大客戶，此外，高通5G芯片X60及新一代驍龍875手機(jī)芯片，也將采用5nm。供應(yīng)鏈人士稱(chēng)，今年，蘋(píng)果包下了臺(tái)積電三分之二的5nm產(chǎn)能。 此外，業(yè)界大紅大紫的AMD也在爭(zhēng)取臺(tái)積電的5nm訂單，估計(jì)明年會(huì)出貨。至于聯(lián)發(fā)科、英偉達(dá)、賽靈思、比特大陸等重要客戶，也都在后邊排隊(duì)等候臺(tái)積電的5nm產(chǎn)能。在這種情況下，臺(tái)積電計(jì)劃將5nm月產(chǎn)能由原本的5萬(wàn)片提升至8萬(wàn)片。 三星也在加碼研發(fā)5nm工藝，三星此前透露的信息顯示，5nm LPE（5nm Low Power Early）工藝原計(jì)劃今年上半年投入量產(chǎn)，但從目前的情況來(lái)看，量產(chǎn)要等到2021年了。主要客戶是高通。

3nm

臺(tái)積電的3nm預(yù)計(jì)于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，到時(shí)候，首批大客戶很可能還是蘋(píng)果。另外，有消息稱(chēng)英特爾最新的GPU也可能會(huì)交由臺(tái)積電的3nm產(chǎn)線生產(chǎn)。 而三星有希望超越臺(tái)積電的制程可能是3nm，因?yàn)槿鞘堑谝患夜傩褂萌翯AA晶體管的，在3nm節(jié)點(diǎn)將會(huì)用GAA環(huán)繞柵極晶體管取代FinFET晶體管，而臺(tái)積電依然會(huì)使用FinFET技術(shù)。三星希望2021年量產(chǎn)3nm工藝，而今年上半年完成3nm工藝開(kāi)發(fā)。實(shí)際進(jìn)度是否能夠與宣傳一致，拭目以待。

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