不久前,有消息稱,臺積電在2納米先進制程研發上取得重大突破,已成功找到路徑,將切入環繞式柵極技術(gate-all-around,簡稱GAA)技術。

利用成熟的特色工藝追求更先進的制程,一直是臺積電和三星等芯片廠商致力的方向。此前,三星聲稱將在3納米率先導入GAA技術,表達了其取得全球芯片代工龍頭地位的野心。此次臺積電在2納米制程研發上取得重大突破,凸顯了其強大的研發實力,也讓兩大芯片代工巨頭的競爭加劇。

臺積電、三星角逐更先進制程

摩爾定律誕生之后,芯片的尺寸越來越小,企業不斷摸索新的工藝和材料發展半導體產品、改進性能。半導體行業專家莫大康告訴《中國電子報》記者,目前半導體行業的主要發展路線是尺寸的不斷縮小。尺寸的縮小能夠帶來集成度的提升,增強產品的性能,也能夠降低產品的成本。

臺積電和三星是芯片代工領域的佼佼者。據集邦咨詢數據,今年第二季度,臺積電拿下了51.5%的芯片代工份額,高居榜首,三星則以約19%的份額緊隨其后。中國電子專用設備協會秘書長金存忠指出,臺積電在7納米量產的時程上領先于三星。對此,復旦大學微電子學院副院長周鵬給出了更具體的信息:臺積電早于2018年4月宣布實現7納米制程量產,獲得了蘋果、華為海思、AMD、高通等客戶的大量7納米訂單。而三星在2018年10月宣布其7納米工藝實現量產,時程的落后導致大量客戶訂單流失。

在先進制程領域,臺積電和三星不斷展開“角逐”。以5納米制程為例,臺積電拿下了今年下半年蘋果即將推出的四款iPhone新機處理器的全部訂單。金存忠告訴記者,預計臺積電今年5納米可實現量產,但三星卻無法做到這點??吹脚_積電拿下大量5納米訂單的三星果然不甘落后,宣布將此前的7納米制程芯片基地改造為5納米制程生產基地,為第三方廠家提供芯片代工服務,試圖用“急沖”5納米的方式追趕臺積電。據悉,目前三星已獲得部分高通5G芯片代工訂單,將采用5納米制程生產芯片。

在更先進制程的競爭中,臺積電和三星依舊“你追我趕”。周鵬介紹,三星在更先進制程的研發上投入了大量資金,同時也對芯片工藝路線圖作出了調整,將跳過4納米工藝,由5納米直接上升至3納米,并在3納米工藝中率先宣布將使用GAA技術。三星還基于納米片制造出了MBCFET(多橋式-溝道場效應晶體管),可顯著增強晶體管性能,以取代FinFET晶體管技術。

莫大康告訴記者,盡管臺積電在GAA架構的開發時程上落后于三星,但臺積電計劃在3納米制程中仍采用FinFET技術,減少生產工具的變更能保持其成本結構的穩定,同時也能減少客戶的設計變更,降低其生產成本,或會產生更好的效果。周鵬聲稱,臺積電多年前已開始謀劃3納米工藝,計劃于2021年實現量產。在下一個節點2納米上,臺積電似乎領先一步,此次他們在2納米先進制程研發上取得的重大突破已說明了這點。據悉,臺積電宣布在中國臺灣的南方科技園建廠,啟動2納米工藝的研發工作,預計最快在2024年投產。而三星在2納米制程的研發上鮮有消息對外披露。

臺積電因何能在更先進制程“一馬當先”?

在摩爾定律的“指揮棒”下,晶圓代工更先進制程的競爭激烈程度愈演愈烈。周鵬告訴記者,在先進制程方面,三大芯片代工巨頭臺積電、三星和英特爾處于第一陣營。英特爾有計劃在2021年推出7納米(相當于5納米),但目前仍主要堅守在10納米節點,希望將10納米做到“極致”,因此7納米及以下工藝節點的戰場就只剩下臺積電和三星,呈現絕對的寡頭競爭格局。這回臺積電在2納米先進制程研發上有了重大突破,意味著臺積電在更先進制程方面暫時處于領先地位。那么,臺積電因何能在更先進制程上“一馬當先”呢?

莫大康介紹,其實臺積電并不是“一個人在戰斗”,臺積電能夠“超前”在2納米技術上獲得突破,得益于其背后有著龐大的群體在支持。據悉,臺積電始終強調,在做代工的同時時刻保持中立態度,不會與客戶爭搶訂單,同時也能夠真正做到把客戶的利益放在第一位。因此臺積電長期以來能夠與客戶建立良好的關系,使得與臺積電無利益沖突的客戶群(蘋果、賽靈思、英偉達等)數量非常龐大。芯片在進入3納米制程后,現有的很多技術難以滿足需求,作為代工廠的臺積電也不例外,需要從器件的架構、工藝變異、熱效應、設備與材料等方面綜合解決。然而,由于臺積電背后擁有龐大的客戶群體在支持著它,能夠與臺積電共同改善制程良率、降低成本,來加快量產速度,而這也是臺積電能夠在2納米領域“先發制人”的關鍵。

周鵬指出,臺積電在FinFET技術上的優勢為臺積電在2納米先進制程的研發提供極大助力,使其占得先機。“隨著工藝節點發展到3nm后,晶體管溝道進一步縮短,FinFET結構遭遇量子隧穿效應的限制。GAA-FET則相當于FinFET的改良版,FinFET的柵極包裹溝道3側,與FinFET控制柵極漏電流的機理類似,GAA技術則將溝道四側全部包裹,進一步提升柵極對溝道電流的控制能力。臺積電在FinFET技術領域具備深厚底蘊,這些科技積累為臺積電成功由3納米FinFET技術切換至2納米GAA技術起到了重要推動作用,大大縮短了臺積電先進制程技術更新迭代周期。”周鵬對記者說。

同時,臺積電在設備支持上也做好了準備。周鵬聲稱,為實現2納米先進制程,臺積電已經大批量訂購了ASML極紫外光刻機(EUV)設備。然而,周鵬也指出,光刻技術的精度直接決定制程的精度,對于2納米的先進制程,高數值孔徑的EUV技術還亟待開發,光源、掩模工具的優化以及EUV的良率和精度都是實現更先進制程技術突破的重要因素。

臺積電突破或刺激其他廠商技術升級

更先進制程的重大技術突破會影響整個集成電路產業和市場格局。周鵬聲稱,雖然對制程技術的評估需要從實際晶體管的密度、性能以及功耗等多個維度進行考量,但先進制程重大技術的推出對于集成電路產業和市場格局有重大意義。“在先進制程的研發過程中,每條技術產線成本投資都超過百億美元。更高的研發和生產成本,對應的是更難的技術挑戰。每當制程工藝逼近物理極限,晶體管結構、光刻、沉積、刻蝕、集成、封裝等技術的創新與協同配合,能對芯片性能天花板的突破起到決定性作用。”周鵬對記者說。

周鵬還告訴記者,先進工藝節點的研究對于代工廠商以及整個半導體行業的發展都至關重要,研發的遲滯必將被其他廠商的先進制程所超越甚至替代?;诖?,周鵬認為,此次臺積電在2納米制程的技術突破對三星、英特爾等龍頭企業在先進制程領域的產品開發與技術升級能起到一定刺激作用。

周鵬預測,由于臺積電3納米工藝預定在2021年量產,其2納米的推出可能位于2023到2024年之間。那么,如果臺積電順利推出2納米制程,這是否會使未來代工市場的格局發生變化?周鵬聲稱,2納米制程的率先推出,定然會進一步擴大臺積電在先進制程市場份額的占比,甚至可能會拉開與三星和英特爾的差距。當然,三星和英特爾也在積極推進研發。工藝技術的研發充滿變數,未來誰能最終領先還需進一步觀察。

對于代工市場上先進制程的競爭,周鵬聲稱,這種競爭可以為整個集成電路行業和用戶帶來益處。“市場的需求驅動著先進制程的進一步開發,無論未來先進制程的引領者是誰,最終受益的將是整個集成電路行業以及享用高性能電子產品的每一個人。”周鵬對記者說。