• 正文
    • 复杂的3nm制程工艺
    • 投巨资建设晶圆厂
    • 面对巨额投入,大厂也要精打细算
    • 结语
  • 相关内容
  • 电子产业图谱
申请入驻 产业图谱

竞争加剧,台积电未雨绸缪

08/23 10:49 作者:半导体产业纵横
阅读需 14 分钟
加入交流群
扫码加入
获取工程师必备礼包
参与热点资讯讨论

作者:畅秋

随着3nm制程进入量产期,复杂设计、巨额投入等问题愈加凸显出来,晶圆代工厂要如何应对呢?

6月30日,三星电子正式宣布采用GAAFET架构的3nm制程芯片进入量产阶段。

不出意外的话,台积电的FinFET架构3nm芯片将于今年下半年开始量产。

不过,虽然在同一年内实现量产,但市场反响有很大差别,特别是在客户方面,业界普遍不看好三星。

三星未公布首发客户和产能规划情况,但有报道称其3nm客户包括中国虚拟货币挖矿机芯片厂PanSemi和手机芯片大厂高通,但高通会视情况进行投片。

台积电则呈现众星捧月的态势,苹果应该还是台积电最大客户,来自苹果供应链的消息,采用台积电3nm芯片的首款产品可能是M2 Pro处理器,明年,新款iPhone专用A17应用处理器,以及M2、M3系列处理器,都会导入台积电3nm制程。

英特尔的新GPU会在明年采用台积电的3nm制程,AMD的Zen 5架构部份产品已确定采用台积电3nm制程,不过要等到2024年。此外,英伟达、联发科、高通、博通等大客户,同样会在2024年采用3nm制程量产各自的新产品。

虽然业界普遍看好台积电,但就今年而言,确定采用该公司3nm制程量产芯片的也只有苹果,其它公司大多要等到2024年,这样一来,三星似乎还是有较多时间去争取客户的,相对于在7nm、5nm量产时的客户争夺战而言,三星在3nm处的操作空间或许更大一些。

复杂的3nm制程工艺

台积电3nm制程仍延用FinFET晶体管架构,其主要优势在于可充分发挥EUV技术优异的光学能力,以及符合预期的良率表现,减少光罩缺陷及制程堆栈误差,并降低整体成本。

近两年,台积电为3nm(N3)制程量产做了很多准备工作,不止今年量产的制程,该公司还为今后几年要量产的3nm制程衍生了四种N3工艺,包括N3E,N3P,N3S和N3X,将在未来几年内陆续推出。这些N3变体旨在为超高性能应用提供改进的工艺窗口、更高性能、更高的晶体管密度和增强的电压。所有这些技术都将支持FinFlex,这是台积电新推出的工艺技术,大大提高了设计灵活性,并允许芯片设计人员精确优化性能、功耗和成本。

N3将在今年下半年量产,主要用于生产苹果的手机和平板电脑处理器,不过,N3是为特定类型应用量身定制的,它具有相对较窄的工艺窗口,在良率方面并不适合所有应用。N3E则解决了这个问题,它提高了性能,降低了功耗,并增加了工艺窗口,从而提高了产量,但N3E的逻辑密度略有降低,与N5相比,N3E的功耗(在相同的性能和复杂性下)将降低34%或性能提高18%(在相同的功耗和复杂性下),并将逻辑晶体管密度提高1.6倍。总的来说,N3E比N3更通用。N3E的风险生产在2022年第二或第三季度开始,量产时间定于2023年中期,预计商用N3E制程芯片将在2023年底或2024年初上市。

N3E之后,台积电将在2024年推出N3P和N3S,该公司没有透露与N3相比,这些增强版本将提供哪些改进。

对于那些无论功耗和成本如何都要超高性能的客户,台积电将提供N3X,除了支持高驱动电流和电压,该公司没有透露该节点的细节。

针对N3,台积电推出了FinFlex技术。FinFlex允许芯片设计人员精确定制其构建模块,以实现更高的性能、更高的密度和更低的功耗。基于FinFET工艺,芯片设计人员可以在使用不同晶体管的不同库之间进行选择,当开发人员需要以牺牲性能为代价来最小化芯片尺寸并节省功耗时,他们使用双栅极单翅片鳍式FET(见下图)。但是,当他们需要在芯片尺寸和更高功耗的权衡下最大限度地提高性能时,他们会使用三栅极双翅片晶体管,当开发人员需要更平衡的参数时,他们可以使用双栅极双翅片鳍式FET。

 

目前,芯片设计人员必须使用一种晶体管类型,例如,CPU内核可以使用3-2个FinFET来实现(如上图所示),以使其运行得更快,或者使用2-1个FinFET来降低其功耗和占用空间,但它并不是所有情况的理想选择,特别是3nm节点,使用起来会比现有技术更昂贵。

FinFlex技术允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的FinFET,以精确定制性能、功耗和面积。对于像CPU内核这样的复杂结构,这种优化可以提高内核性能,同时优化芯片尺寸。FinFlex是优化N3节点性能、功耗和成本的好方法,这项技术使FinFET的灵活性更接近于基于纳米片的GAAFET,后者可提供可调节的通道宽度,以获得更高的性能或更低的功耗。

三星方面,不同于台积电FinFET架构,该公司的3nm制程采用多桥通道场效晶体管(MBCFET)的GAAFET专利技术,能以更高效能和更小芯片尺寸来实现更佳的功耗表现。

三星3nm制程工艺分为两代,目前量产的是3nm GAE,与5nm制程相比,降低了45%的功耗,减少16%的面积,提升了23%的性能。第二代3nm GAP工艺可以降低50%的功耗,提升30%的性能,面积减少35%,效果更好,预计2024年量产。

三星在2021年晶圆代工论坛中指出,与5nm制程相比,采用GAAFET架构的3nm制程在功耗、性能和面积(PPA)方面所达到的优化效益,与其第二代3nm制程相同。业界认为,三星量产的第一代3nm应该未达到预期的制程微缩目标,2023年量产的第二代3nm工艺才能算是真正的完整版本。

投巨资建设晶圆厂

与7nm、5nm相比,建设3nm制程晶圆厂所需的资金投入量更大,这方面,也只有三星、台积电和英特尔这三家厂商能够应付得了。

以台积电为例,该公司董事长刘德音曾经表示,在3nm制程上,在南科厂的累计投资将超过 2万亿元新台币,目标是3nm量产时,12英寸晶圆月产能超过60万片。60万片的月产能,这是一个非常惊人的数字,不过,在量产初期是达不到的,需要一个过程。据Digitimes报道,台积电3nm制程芯片在2022年下半年开始量产,单月产能5.5万片起,2023年,将达到10.5万片。

台积电在台南科学园区有3座晶圆厂,分别是Fab 14厂、Fab 18厂和Fab 6厂,前两座是12英寸晶圆厂,后一座是8英寸晶圆厂。Fab 18厂是5nm制程工艺的主要生产基地。而除了5nm工艺,台积电3nm制程工艺的工厂,也建在台南科学园区内,他们在2016年就公布了建厂计划,工厂靠近5nm制程工艺的主要生产基地Fab 18厂。台积电针对3nm制程打造的Fab 18B厂开始进入量产后,包括Fab 18厂区的P7~P9厂的3nm晶圆厂兴建计划也已启动。

三星方面,2020年初,该公司就开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产,成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯EUV生产线。而该工厂也是三星3nm制程的主阵地。V1晶圆厂位于韩国华城、毗邻 S3。三星于2018年2月开始建造V1,并于2019 下半年开始芯片的测试生产。过去两年里,该公司一直在扩大V1晶圆厂的产能规模,为3nm量产做准备。

面对巨额投入,大厂也要精打细算

要想实现3nm制程量产,巨额投入是必不可少的,特别是购买相关设备的资金量巨大,即使是台积电这样的厂商也不得不精打细算。

为了控制成本,台积电专门制定了EUV改善计划,并改良EUV光刻机设计,以及导入先进封装,以求更多客户愿意采用3nm制程。

EUV设备耗电量是DUV的10倍。台积电通过设备程序修正,将EUV光脉冲能量优化,并重新设计反射结构,有效提了3%反射率。台积电还分析二氧化碳雷射系统放大器的运转数据,采用变动频率取代固定频率的方式,提升了EUV设备5%的能源使用效率。这些工作主要就是针对3nm制程的。

另外,台积电有望启动EUV持续改善计划(CIP),目的是增加芯片尺寸的同时,减少EUV光罩使用道数。以ASML的NXE:3600D为例,其价格高达1.4~1.5亿美元,每小时可处理160片12英寸晶圆,4nm制程上,EUV光罩大约在14层之内,而3nm制程将达到25层,导致成本暴增。

通过CIP,有望将光罩降至20层,虽然芯片尺寸将略为增加,但是有助于降低生产成本和晶圆代工报价。

除了制造,3nm芯片封装也是一大挑战,届时,3D封装技术将全面导入量产,同时,随着3nm制程技术和成本的增加,Chiplet堆叠和封装技术也将大面积铺开。这些都使得台积电需要投入更多的资源和精力。

正是因为存在这样的状况和趋势,需要更多的合作。有媒体报道,台积电已将2.5D封装技术CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)业务的部分流程(On Substrate,简称oS)外包给了OSAT厂商,主要集中在小批量定制产品方面。而类似的合作模式预计将在未来的3D IC封装中继续存在。

台积电拥有高度自动化的晶圆级封装技术,而oS流程无法实现自动化的部分较多,需要更多人力,而日月光(ASE)、硅品、安靠(Amkor)等顶尖OSAT厂商在oS流程处理方面的经验更多。

在封装业务方面,台积电最赚钱的是晶圆级SiP技术,如CoW和WoW,其次是FOWLP和InFO,而oS的利润最低。由于Chiplet需求显着增长,预计台积电会将更多的低利润封装业务交给OSAT。

结语

3nm制程的复杂度比7nm和5nm更高,且对资金、人力等各种资源的要求更高,当下,也只有三星和台积电能够延续这一游戏。

然而,三星的良率问题一直困扰着它,这也是之前7nm、5nm制程一直被台积电压制的主要原因,争取在良率方面有质的飞跃,从而赢得更多客户的信心是三星必须解决的问题。

而面对三星的追赶,台积电也是压力山大,不进则退,该公司每年都在增加资本支出,其中一大部分都是用于最先进制程工艺的研发和晶圆厂建设。不过,这样的高投入是否能够长期延续下去,还要画一个问号。未来,在投入新技术研发和成本控制之间的平衡,或许会成为一个越来越重要的课题。

更多相关内容

电子产业图谱