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先进制程的“大跃进”

09/29 08:23 作者:半导体产业纵横
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作者:畅秋

从28nm到1nm,先进制程的演进满足了各种应用发展需求。

半导体制程工艺演进到28nm时,达到了性能和成本的绝佳平衡点,但应用和市场需求并没有停歇,越来越多的应用没有满足于这样的平衡,即使成本会大幅增加,依然要向更先进制程索要高性能。因此,28nm之后,22nm、16nm……,以及最近几年量产的5nm、3nm,还有今后几年将实现量产的2nm、1nm制程,占据着越来越高的市场份额,与占有广阔市场空间的28nm以上成熟制程分庭抗礼。

本文与您共同分享一下28nm以下先进制程的发展情况,首先从纳米级制程的终极节点1nm开始。

1nm

按照IMEC(比利时微电子中心)规划的发展路线图,预计2028年可实现1nm制程工艺量产。

要实现1nm制程工艺,需要改变晶体管架构,三星和台积电分别在3nm、2nm节点放弃了FinFET,转向环绕栅极(GAAFET)结构,也被称为Nanosheet。而到了1nm及之后更先进制程,对晶体管架构提出了更高要求。IMEC提出了Forksheet,通过仿真,IMEC预计Forksheet具有理想的面积和性能微缩性,以及更低的寄生电容。此外,3D“互补FET”(CFET)也是1nm制程的晶体管方案,CFET的一个显着特征是与纳米片拓扑结构具有很强的相似性,CFET的新颖之处在于PFET和NFET纳米片的垂直放置。CFET拓扑利用了典型的CMOS逻辑应用,其中将公共输入信号施加到NFET和PFET的栅极。

目前,台积电的 1nm 制程仍处于探索阶段,工厂正在尝试各种选项。除了台积电,三星、英特尔和IBM也在进行1nm制程工艺的研发。

2nm

2019年,台积电率先开始了2nm制程技术的研发工作,相应的技术开发中心和晶圆厂主要设在中国台湾的新竹,同时还规划了4座超大型晶圆厂。台积电有望在2024年进入 2nm制程试产阶段,并于一年后量产。

台积电2019年成立了2nm专案研发团队,寻找可行路径进行开发。在考量成本、设备相容、技术成熟及效能表现等多项条件后,决定采用以GAAFET为基础的MBCFET(Multi-Bridge Channel FET)架构,解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。MBCFET和FinFET有相同的理念,不同之处在于GAAFET的栅极对沟道的四面包裹,源极和漏极不再和基底接触。

根据设计的不同,GAAFET也有不同的形态,目前比较主流的四种技术是纳米线、板片状结构多路桥接鳍片、六角形截面纳米线和纳米环。三星对外介绍的GAAFET技术也是MBCFET,即板片状结构多路桥接鳍片。

按照台积电给出的2nm工艺指标,Metal Track(金属单元高度)和3nm一样维持在5x,Gate Pitch(晶体管栅极间距)缩小到30nm,Metal Pitch(金属间距)缩小到20nm,比3nm减少23%。

3nm

在3nm制程产能建设方面,台积电在台南科学园区有3座晶圆厂,分别是14厂、18厂和6厂,其中前两座是12英寸晶圆厂,后一座是8英寸晶圆厂。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。

2020年初,三星开始其新建的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。

三星3nm制程研发规划分为两个阶段:第一代的3nm GAE(GAA-Early)与第二代3nm GAP(GAA-Plus)。

2022上半年,三星量产3nm制程芯片,但用户和产量非常有限,未见处理器厂商采用。台积电则在一年前就表示要在2022下半年量产3nm芯片,外界认为其主要客户肯定是苹果,然而,当9月初苹果发布新机和A16处理器的时候,却未见采用3nm,而是成熟的4nm制程,新技术高昂的成本迫使苹果放弃了最初版本的3nm,而将希望放在了2023年可将成本降下来的新版3nm制程。

4nm

2021年11月,联发科正式发布了高端手机SoC芯片天玑9000,采用了台积电4nm制程工艺,这也是全球首款量产的4nm制程芯片。

5nm芯片在2020年实现量产,在此基础上,台积电和三星在向3nm进发,在3nm量产之前,4nm制程填补了5nm与3nm之间的空挡。

台积电4nm工艺与5nm属于同一平台,但4nm工艺的速度、功耗和密度都有了改善,其最大的优势在于与5nm兼容的设计规则、SPICE和IP。使用5nm工艺设计的产品能够轻易地转移到4nm平台上来。

三星的4nm制程主要分为4LPE和4LPP,并将4LPE视为7LPP工艺的演进版本,可提供比5nm更好的PPAc(功率、性能、面积、成本)表现。4LPP是4nm的低功耗版本,于2022年实现量产,这也是三星最后一个采用FinFET晶体管架构的制程节点。

5nm

台积电表示,由于客户对5nm需求强劲,该公司5nm系列在2022年的产能扩充计划比2020年增长3.5倍以上,并在2023年达到2020年的4倍以上。

台积电还推出了5nm的新版本-N5A制程,目标在于满足汽车应用对于运算能力日益增加的需求。

苹果和高通是台积电5nm制程的最大客户,此外,AMD也在争取台积电的5nm订单,于2021年开始出货。至于联发科、英伟达、比特大陆等客户,也都在后边排队等候台积电的5nm产能。

三星的低功耗版本5LPE性能比7nm提升了10%,而在相同的时钟和复杂度下,功耗可降低20%。据悉,5LPE在原始工艺中增加了几个新模块,包括具有智能扩散中断(Smart Diffusion Break:SDB)隔离结构的FinFET,以提供额外的性能,第一代灵活的触点设置(三星的技术类似于英特尔的COAG,有源栅上的触点),可用于低功耗的鳍式器件。

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的逻辑密度比N7提高18%。

2021年6月,台积电推出了6nm RF(N6RF)制程,将先进的N6逻辑制程所具备的功耗、效能、面积优势带给5G射频(RF)与WiFi 6/6e解决方案。相较于16nm射频技术,N6RF晶体管的效能提升超过16%。台积电表示,N6RF制程针对6GHz以下及毫米波频段的5G射频收发器提供大幅降低的功耗和面积,同时兼顾效能、功能与电池寿命。

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。该公司于2019 年初宣布第一个基于EUV技术的6nm芯片开始流片,之后,三星还推出了6nm LPE版本。

7nm

台积电在2017年底试产7nm制程,2018年实现小批量生产,大规模量产是在2019年,在2019年第二季度开始量产N7+(EUV的),N7+的逻辑密度比N7提高15%~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、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、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。

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。

8nm

几乎是在台积电宣布推出N6RF制程的同时,也是在2021年6月,三星电子宣布开发出8nm 射频芯片制程技术,希望抢攻 5G 领域晶圆代工订单。

三星开发了一种独特的 8nm 射频专用架构,名为 RFextremeFET (RFeFET),可以显着改善射频特性,同时使用更少的功率。与三星的14nm RF相比,RFeFET 补充了数字 PPA 缩放,并恢复了模拟 / RF 缩放,从而实现了高性能5G平台。此外,新的 8nm RF 芯片可提高35%的效率,减少35%的面积。

据悉,三星这种代工技术能够提供“单芯片解决方案”,专门用于支持多通道和多天线芯片设计的5G 通信。高通已经完全拥抱了三星的7nm RF制程,将其相关芯片交给三星生产,并承诺下单量还会提高。

10nm

早在2013年,台积电就开始了10nm工艺的研发。而按照早期规划,在2016年第四季度量产10nm制程。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。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。

2015年7月,三星电子在网上发布了一段视频,确认已经将 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,三星将大部分高通骁龙处理器订单收入囊中。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比较有限,2019年,三星的7nm制程收到了高通骁龙765的订单。与台积电相似,三星将规划重点放在了5nm和3nm制程上,10nm也是昙花一现。

英特尔也早就开始了10nm的研发,原计划是在2016年量产,但研发过程中遭遇困难,导致10nm量产时间一再推迟。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。

12nm

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

联电于2018年宣布停止12nm及更先进制程工艺的研发。因此,全球晶圆代工市场,12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星。

联发科是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低端市场的拓展力度很大,并逐步扩大市场占有率,在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,AMD的显卡RX 590也采用了12nm制程,而这款产品的代工厂为格芯和三星。

14nm

具备14nm制程量产能力的厂商主要有7家,分别是:英特尔、台积电、三星、格芯、联电、中芯国际和华虹。

14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等。对于各厂商而言,该制程也是收入的重要来源。

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。

格芯的14nm制程晶圆厂位于美国纽约州马耳他,主要用于生产高端处理器,不过,14nm产能占格芯总营收的比例较小。联电的14nm制程占比也很小,只有3%左右。

22nm

谈到22nm制程,要追溯到2008年,当时,业界首次出现了采用该制程工艺的RAM存储器,但彼时还未实现量产。到了2012 年,英特尔推出了第一款采用22nm制程工艺的消费级CPU——Ivy Bridge。

22nm制程的出现和普及,满足了市场上相当多IC设计厂商的实际需求。28nm之后,许多厂商希望转移到更高级节点,但过高的成本和风险,使得很多厂商对16nm/14nm望而却步,这样,很多厂商停留在了28nm及以上的成熟制程,资金更充足的可能会转移到16nm/14nm及更先进制程节点,还有一些厂商想要获得性能提升,但无法承受16nm/14nm的价格,此时,22nm脱颖而出。不过,相对而言,与28nm、16nm/14nm相比,22nm制程的市场规模较小。

22nm制程产品非常适用于汽车、物联网和无线通信等应用,近些年,英特尔、格芯、台积电等厂商都在开发22nm制程工艺。不过,不同厂商研发的22nm工艺各不相同,大致可分为三种版本:以台积电为代表的平面型(planar,相对于3D的FinFET而言)CMOS工艺;格芯的平面FD-SOI工艺;以英特尔为代表的低功耗22nm FinFET工艺。

28nm

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及更成熟制程,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优势。另一方面,22nm及更先进制程维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大,每个逻辑栅的成本都要高于28nm制程。

28nm制程的主要玩家是台积电,格芯,联电,三星和中芯国际。

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%,目前依然是28nm制程的主力军;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。

近些年,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,而且当制程节点向前演进时,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。

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