摩尔定律推动半导体业进步,之前主要依靠两大法宝,一个是工艺尺寸缩小,另一个是硅片直径增大,显然以工艺尺寸缩小为主。因为硅片尺寸从 2000 年进入 12 英寸之后,没有再往 18 英寸迈进。

 

尺寸缩小的步伐一路走来相当顺利,基本上是每两年前进一个工艺台阶,如 2007 年的采用 HKMG 工艺的 45 纳米,2009 年的 32 纳米,2011 年釆用 FinFET 3D 工艺 的 22 纳米,及 2013 年的 14 纳米。显然之后的 10 纳米,7 纳米及 5 纳米进程,业内在工艺制程尺寸定义等方面存有争议,其中英特尔认为要依晶体管密度来计,及定律开始变缓,可能要 24-36 月才前进一个工艺台阶。

 

但是不用争议,英特尔在 HKMG 及 FinFET 3D 工艺等方面作出了巨大贡献。业内关于先进工艺制程有个不成文的约定,指 16/14 纳米及以下。

 

尺寸缩小带来的困境 

半导体业从 1986 年的 1.2 微米,一路走来,至 1992 年达 0.5 微米,2001 年达 0.13 微米,2005 年的 65 纳米,2007 年 45 纳米,2009 年的 32 纳米与 2011 年的 22 纳米及 2013 年的 14 纳米,它依 0.7X 缩小,每两年前进一个工艺台阶。

 

但是由于光学光刻的限制,采用 193 纳米光源加上浸液式技术及 OPC 技术等,到了 28 纳米已是瓶颈。要继续缩小尺寸必须采用两次图形曝光技术,而到 7 纳米时甚至可能要采用四次图形曝光技术。由于光刻工艺步骤的增加及掩膜版数量的上升,以及工艺周期加长,导致 28 纳米成为产品设计工艺的分界线,所以它是长寿命工艺之一。

 

另一个突出矛盾是产品的设计成本呈火箭式上升。如釆用 40 纳米工艺时,需要投入 1,000 万美元,典型产品的盈亏平衡点,出货量需约 800 万颗,28 纳米时,投入 2,500 万美元,需要出货量约 1,000 万颗,14/16 纳米时,投入 4,000 万美元,出货量约 2,000 万颗,及 10 纳米时,投入 7,000 万美元,需出货量约 3,000 万颗,至 7 纳米时,投入 10,000 万美元以上,出货量至少约 5,000 万颗。

 

据有些资料介绍,从 28 纳米走到 7 纳米,产品的金属杂质要求须下降 100 倍,污染粒子的体积也必须要缩小 4 倍,而随着制程走到 10 纳米以下,对于洁净度要求只会愈来愈严格,例如 28 纳米晶圆时可能允许有 10 个污染粒子, 但 7 纳米晶圆上只允许有 1 个。

 

对于摩尔定律要理性地思考,因为跟踪定律要付出代价,导致芯片的成本越来越高,而晶体管的密度提升幅度可能却越来越小。例如 2011 到 2015 年间,每年晶体管的密度提升幅度有 12%;而至 2015 到 2018 年间,提升幅度只有 3%。

 

同样对于半导体工艺制程,并非越是先进就越好。例如近期格罗方德(GF)及联电(UMC)都提出放弃 7 纳米及以下制程的跟踪,英伟达创始人兼执行长黄仁勋就表示,2019 年没有计划要推出 7 纳米的 GPU(图形处理器),以及英特尔至今仍停留在 14 纳米及 10 纳米的处理器量产。至少它们的动作反映了一种趋势,先进工艺制程的优势不一定十分明显,或者是在处理器领域中芯片功耗的矛盾不如移动芯片那么迫切,该言论也推翻了大厂都会在 2019 年上市 7 纳米产品的立场。

 

三强争锋 

全球半导体呈现三足鼎立时代,英特尔、三星及台积电,而在先进工艺制程方面,目前台积电的声势可能最高。

 

台积电

目前台积电的先进制程持续按计划进行,它的 7 纳米 EUV 制程将在 2019 年 3 月底量产,7 纳米加上 7 纳米 EUV 制程,估计至 2019 年底 Tape out 将超过 100 个,2019 年下半年 7 纳米贡献将增速 ,受惠于手机新品出货进入旺季及高速运算(HPC)产品开始小量出货,7 纳米制程 2019 年营收比重将可达 25%,较 2017 年 9%大幅提升,不过其中 7 纳米 EUV 制程比重仍相当低。

 

科技网站《Appleinsider》报导,2019 年苹果 A13 处理器采用独家代工供应商台积电的内含 EUV 技术 7 纳米,将吃下台积电第 3 季大部分产能,意味着台积电 7 纳米产能利用率将大大提升。

 

以更先进的 5 纳米制程为主的 12 英寸晶园厂 Fab 18,总投资金额高达新台币 7,500 亿元(250 亿美元),已确定在 2019 年第 2 季进入风险性试产,预计 2020 年可达量产,并已获得大客户的订单。由于 5 纳米制程成本更为高昂,代工报价只有一线芯片大厂能接受,因此市场预估目前应只有苹果与华为表态升级转换意愿。

 

但是非常明显当制程工艺从 10nm 进入 7nm 甚至 5nm 之后,新工艺带来的性能提升已经大不如从前,据台积电数据显示 7nm 相比 10nm 工艺具备 1.6x 晶体管密度、20%(晶体管)性能提升或者 40%功耗降低,而 5nm EUV 相比 7nm EUV 工艺的话,基于 ARM 的 Cortex-A72 核心,5nm EUV 工艺能够带来 14.7%-17.1%的速度提升,及 1.8 到 1.86 倍密度提升。

 

据外媒报道,台积电将投资 190 亿美元,在台南的园区内兴建 3 纳米芯片工艺的生产线,环评部门在 2018 年 8 月份也对其进行了首次评估,并在 2018 年 12 月 19 日获得通过。

 

根据最初的安排,它的 3 纳米工厂计划在 2020 年开始建设,2021 年完成全部设备的安装,最快在 2022 年年底或 2023 年年初投入运营。

 

至此台积电可能是全球第一家宣布要建 3 纳米生产线。

 

三星

任何时候不能低估三星的强大实力,它是全球存储器业中的老大,如 2018 Q4 计,它的 DRAM 市占 41.3%,及 NAND 占 30.4%。同时三星电子在 2017 年高调宣布,将加码代工领域,并宣称要在未来 5 年内实现代工市占率达到 25%的宏伟目标。

 

根据拓墣产业研究院的报告显示,2019 年 Q1 全球代工排名中,台积电市占率 48.1%居首,而三星已达 19.1%居第二位。

 

在存储器工艺制程方面,三星目前仍处于绝对领先地位,它的 DRAM 主力制程 18nm 良率已经超过 85%,估计三星内部占比将接近五成,正往七成的比重迈进。而它的 3D NAND 闪存,在 2019 年 Q2  64 层 QLC 及 96 层 TLC  256Gb/512Gb 实现量产。

 

三星在 2017 年 5 月美国加州圣塔克拉拉举行年度晶圆代工技术论坛时曾发表的最新逻辑工艺制程蓝图,包括 8/7/6/5 纳米的 FinFET 制程,以及 4 纳米的后 FinFET(post FinFET)结构制程,可能是环栅(GAA)架构等,以及它的第二代 FD-SOI 平台,把 FD-SOI、FinFET、GAA 所有半导体架构全面囊括,而最受注目的是三星计划在 2020 年时试产 4 纳米制程,表示将可能领先台积电的 5 纳米。

 

三星的晶圆代工共有三个厂区,分别为南韩器兴(Giheung)S1 厂、美国德州奥斯汀 S2 厂、南韩华城(Hwaseong)S3 厂,其中 S3 厂预定 2017 年底开始启用,计划采用于 7 纳米、8 纳米和 10 纳米制程的量产。

 

另外,2018 年 2 月,三星宣布投资 60 亿美元,是 EUV 工艺的专用线,在首尔郊外新建半导体厂房,计划扩大晶圆代工业务。新工厂将于 2019 年下半年完工,2020 年正式投产。将投产 7nm 及以下制程。

 

三星的强大在于除了存储器业老大地位不可动摇之外,它的逻辑代工正在积极的推进,由于现金流充裕,非常可能会采用兼并方法继续扩大。而且它拥有丰富的产品链,包括 OLED 屏等,加上它的执行力极强及勇于搜罗优秀人材,所以它的前景不可小视。

 

英特尔

英特尔的老大地位难以撼动,尽管三星曾一度超过它,但是今年有可能会翻转。业界有人认为英特尔丢失了移动市场,“气数已尽”,这样的认识可能要修正。因为假如英特尔争得移动市场的第一,全球就是它的一统天下,这个产业就没法玩下去。

 

观察英特尔可能要站在这样的角度,它每年的投资都在 100 亿美元以上,及 2018 年它的研发费用高达 135 亿美元,远比三星的 39 亿美元及台积电的 28 亿美元高出许多。

 

2018 年英特尔的销售额达 699 亿美元,而且服务器芯片市占达 95%以上,及处理器芯片达 85%,它的毛利率在 60%以上等,因此英特尔的日子实际上还是不错,仅是年增长率不太高。

 

现阶段英特尓的 CEO 司睿博,从 CFO 转到 CEO。英特尔自述它将从晶体管向数据转型,是英特尔近 50 年来最大胆的一次跃迁。

 

结语 

先进工艺制程谁站在前列的讨论,关键可能不在谁是领先,因为它是动态改变。但它肯定是个"亮点”,是个”极少数人的俱乐部”,据传未来有可能达近 1 纳米,需要与它们的财力,技术能力及市场切入时机等相匹配。 现阶段全球半导体三足鼎立,英特尔、台积电、三星各霸一方,近期内此种态势恐怕难以有大的改变,但是一定会此消彼长,无论哪家在各自领域內都面临成长的烦恼。

 

摩尔定律是否还存在实际的意义,不能仅从尺寸缩小角度,它迟早会到达物理极限,但是未来半导体业发展的空间仍很大,包括两个大的方向,一个是 CMOS 缩放加上 3D 工艺技术,加上新技术将是摩尔定律的未来。另外一个是异构集成,加上新型数据处理将是未来产品的演变。所以相信未来摩尔定律的经济效益将继续发挥作用,正如胡正明教授预言全球半导体业还有 100 年。