台积电三星激战的3nm,会是先进制程关键节点吗?

Lynn 1个月前 (01-22)

与两年前相比,三星3nm今年的关注度明显降低,有其自身原因,更多的可能还是技术市场的风云变化。

最近,台积电终于公开承认了自己的3nm计划,并表示四月份将会公布具体技术细节。终于,半导体制造业这场决定未来制程走向的关键一役——3nm技术之战还是来了。

迄今为止,在3nm制程上,业内只有两家公司具有此竞争能力,一家是台积电,另一家是三星。

其实在台积电之前,三星早已公布了其3nm工艺细节,也一直在3nm上呈现领跑态势。最近它刚刚宣布自己已经成功研制出首款3nm工艺芯片的消息,采用的技术正是此前盛传的GAAFET技术,并表示其在技术完成度上获得了远超预期的表现。

可以说,从公布的消息来看,相较于台积电,三星要靠谱的多。但有些出乎意料的是,三星方面的消息传出来后,反响平平,似乎也没有受到太多关注。

三星3nm计划到底存在什么问题?

为什么三星3nm不受关注?

三星加码代工,力推3nm量产

首先,我们来看它拿下3nm有多厉害?

如果三星能够顺利抢先将该工艺推向量产,延续摩尔定律不说,从现有的技术格局来看,它完全可以凭此一举PK掉基于FinFET的3nm工艺,翻身抢断台积电现有的尖端工艺市场份额,并有机会成长为全球第一大晶圆代工厂。

因此,对三星和台积电来说,3nm之争更像是一场与时间的赛跑,看的是谁先量产。而三星可以说是已经占了先机。

早在2018年,三星就公布了自己在3nm制程技术上的规划,并表示将会抢占未来高性能计算和物联网市场。

当时三星给出了清晰的技术规划,并且三星晶圆代工业务市场副总Ryan Sanghyun Lee也公开表示,三星从2002年以来一直在开发GAA技术。后来在去年年中举办的“2019三星代工论坛”上,三星电子更是直接将3nm工程设计套件发送给了现场的半导体设计企业。

为什么三星3nm不受关注?

图 | 三星晶圆代工业务市场副总Ryan Sanghyun Lee

可以说,正是因为对3nm保持着长期而巨大的投入,三星才能将成果推进到今天的量产前夜。而正如当时做成存储的决心和毅力,三星在代工业务上的坚持其实有些超乎意料。

在2015-2016年期间,三星曾一度夺走了台积电不少大客户的订单,实现了收入的大幅度增长。后来尽管因为智能手机衰退和台积电先进制程而导致销售额下降,跌落到了全球第四的排名。但是三星仍然没有丝毫放弃的势头,2018年初,在韩国首尔举办的三星晶圆代工论坛上,三星方面就对外表示,目标就是先超联电和格芯,再超台积电。

从最近2019年第四季度统计的排名我们可以看出来,三星延续了前三季度的优势,以市占率17.8%稳稳当当地占据了仅次于台积电的第二位,而排在第三的格芯仅有8%。

有分析表示,这些年为了与台积电在争夺先进制程工艺市场话语权方面,三星下足了功夫——投资、独立代工业务、挖人等。而取得现在的成果,三星代工技术能力和客户认可度的提升功不可没。

相比较来看,虽然在现有市场台积电的地位难以撼动,但是在3nm技术上,仅仅有造厂的消息传出,官方一直没有对外透露更多,其3nm计划看起来更“虚无缥缈”。

3nm GAA攻坚战

因此回到三星3nm不受关注问题上,我们很难不去重新审视一下技术。

三星采用的是3nm GAA。

此前比利时微电子研究中心曾发表研究报告公开表示,环绕式闸极(GAA)电晶体将是未来最有可能突破7 纳米技术以下FinFET工艺的“候选人”。

GAA晶体管在通道的所有侧面都有一个栅极,用于克服FinFET的物理缩放比例和性能限制,包括电源电压。与现在的FinFET Tri-Gate三栅极设计相比,GAA技术因为重新设计晶体管底层结构,克服当前技术的物理、性能极限,增强栅极控制,性能大大提升。

在该技术方向下,主要有纳米线、板片状结构多路桥接鳍片、六角形截面纳米线和纳米环技术四大主流方向,三星采用的是MBCFET(Multi-Bridge Channel FET),即板片状结构多路桥接鳍片。

三星认为主流的纳米线GAA技术沟道宽度较小,因此往往只能用于低功率设计,并且制造难度比较高,因此没有采用这种方案。

据三星介绍,它在其PDK设计中提供了四种不同的方案,可以在一颗芯片的不同部分使用,也可以直接用于制造整颗芯片。在性能方面,它与5纳米制造工艺相比,3纳米GAA技术的逻辑面积效率提高了35%以上,功耗降低了50%,性能提高了约30%,优势明显。

为什么三星3nm不受关注?

其实关于GAA技术的研究,除了三星之外,英特尔、台积电等厂商虽然没有明确公布,但是对此也都有研究和积累。不过从目前的消息来看,三星3nm GAA工艺公布的信息最为详尽。

不同于现有的7nm和5nm工艺,因为3nm节点将采用全新结构的MOS管,对于半导体制程发展来说,它可以说有着里程碑式的意义,非常类似于当时Intel用来推翻IBM领导地位的22nm。

此前,Semiengineering上有文章分析就表示,以目前技术条件来看,2nm可以被看做3nm做了微缩制程(die-shrink)处理。也就是说,3nm以下的制程之战,3nm是关键节点。因此我们也能够理解,为什么大家认为三星3nm GAA一旦研发出来,它的市场影响力将是空前的。

但是作为行业龙头,台积电方面的2nm乃至1nm消息难免会给市场留下更多念想,这也在无形中削弱了3nm GAA的影响力,甚至有人认为3nm将可以继续采用FinFET,而所谓的关键节点将是2nm甚至1nm。

备受争议的三星与技术

当然不可否认,三星这项计划自身还存有隐患。

首先,技术是好的,但是如果投入商用,成本是不得不考虑的。严格来说,如果成本过高,技术胎死腹中也不是不可能。

根据IBS统计的数据,3nm 器件的研发费用大约需要5亿~15亿美元;制程的研发费用需要40~50亿美元;一个FAB的建设运转需要150亿~200亿美元,上不封顶。从研发到商用的费用,包括后期要收回成本的考虑,这对头部代工厂来说,都是一个“无底洞”,风险极大。

其次,技术市场的动荡之外,三星晶圆代工厂最近在市场中的受认可度方面还是颇有争议的。

自从三星拆分开晶圆代工部门后,因计算方式的改变,三星自家的Exynos手机芯片生产也算在晶圆代工营收当中,因此三星代工厂的市占率从个位数大幅增长到十位数。而正是因数据维度有所改变,这让业内对其业绩是否真的增长存疑,因此三星现在占据的第二位是否真的坐稳也成为了大家没有办法弄清楚的“糊涂账”。

十一月份,三星韩国器兴(Giheung)厂,因为8英寸晶圆生产线采用了受到污染的设备,导致产品有缺陷。三星的一名高层后来承认,称损失估计达数十亿韩元。

12月31日,韩国华城园区又传出来停电时间,三星电子部分DRAM和NAND芯片生产线被迫中止,称要两三天左右才能完全恢复,损失也是惨重。

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接二连三,三星代工厂屡屡出事,这更是让其在业内的信誉受到损伤。

同时,目前来说,GAA还不是唯一的技术方向,台积电提出的先进封装是推动制程发展的保守做法,而探索硅之外的新材料更是被业内认为是从根本上改变现有制程工艺限制的方向,这其中包括采用InGaAs、锗纳米线等新材料的GAA晶体管。

而台积电在5nm之后直接透露2nm工艺,更是有可能撼动市场现有普遍认为的3nm关键节点的地位。

无疑,这些都让三星在突破台积电垄断之路受阻。

加持新材料,3nm工艺还存在更多想象空间

据市场研究公司IC insights报道,从2017年至今,三星在半导体领域的资本支出估计为658亿美元,比英特尔高了约53%,比中国所有半导体公司资本支出总和高出一倍以上。

而在晶圆代工方面,三星最近也宣布,今年第四季度的大部分投资将用于存储领域的基础设施中,EUV 7nm产量将继续增加,加强自身晶圆代工的竞争力。10月中旬的时候,还传出了三星的一份意向书,表示要向ASML订购15台EUV设备,总价值180亿元。

三星的决心由此可见。

但是随着技术的变化和市场的发展,市场中未来制程工艺的变数也越来越大,因此三星3nm GAA也越来越难收到预想的克敌效果。台积电就曾对外表示,在材料方面,III-V族材料也有可能会代替传统的硅作为晶体管的通道材料以提升晶体管的速度。因为有研究表明,铟镓砷(InGaAs),砷化镓(GaAs)和砷化铟(InAs)与FinFET和GAAFET的集成在更小的节点处表现出优异的性能;而铁电等介电材料的引入可能会实现超陡的亚阈值坡度以降低晶体管的能耗;钴也有可能会替代钨和铜作互联导线以增强稳定性和减缓信号延迟。

目前,“新材料+新制程工艺”两条腿走路有望打破现有的技术瓶颈成为了主流的论调。从公布出来的信息来看,三星3nm GAA仅有制程上的进步,与台积电现在的布局相比,它缺失了材料方面的积累与探索。因此越迟发布,其先发的优势效应也有可能越小。

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