吳新
3nm 芯片的消息不少,作為三星、臺(tái)積電博弈的關(guān)鍵,3nm制程及芯片從不缺乏話題,不過(guò)這一次,“國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)完成全球第一顆3nm芯片的測(cè)試開(kāi)發(fā)”卻多少搶了兩大巨擘的風(fēng)頭。
近日,中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)利揚(yáng)芯片在回復(fù)投資者提問(wèn)時(shí)表示:目前 3nm 先進(jìn)制程工藝的芯片測(cè)試方案已調(diào)試成功,標(biāo)志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測(cè)試開(kāi)發(fā),將向量產(chǎn)測(cè)試階段有序推進(jìn)。
公司近幾年不斷加大在高端芯片領(lǐng)域的測(cè)試研發(fā)投入,尤其是公司的算力芯片測(cè)試技術(shù)針對(duì)先進(jìn)制程的離散性難題提供全套測(cè)試解決方案,重點(diǎn)解決了功耗比、芯片內(nèi)阻、大電流測(cè)試電路、測(cè)試溫度控制等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),前期已經(jīng)在 8nm 和 5nm 芯片產(chǎn)品上為多家客戶提供量產(chǎn)測(cè)試服務(wù),目前 3nm 先進(jìn)制程工藝的芯片測(cè)試方案已調(diào)試成功,標(biāo)志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測(cè)試開(kāi)發(fā),將向量產(chǎn)測(cè)試階段有序推進(jìn)。
廣東利揚(yáng)芯片測(cè)試股份有限公司成立于 2010 年 2 月,自稱(chēng)是國(guó)內(nèi)知名的獨(dú)立第三方專(zhuān)業(yè)芯片測(cè)試技術(shù)服務(wù)商、國(guó)家級(jí)專(zhuān)精特新小巨人企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè),主營(yíng)業(yè)務(wù)包括集成電路測(cè)試方案開(kāi)發(fā)、12 英寸及 8 英寸等晶圓測(cè)試服務(wù)、芯片成品測(cè)試服務(wù)以及與集成電路測(cè)試相關(guān)的配套服務(wù)。
官方表示,該公司自成立以來(lái),一直專(zhuān)注于集成電路測(cè)試領(lǐng)域,并在該領(lǐng)域積累了多項(xiàng)自主的核心技術(shù),已累計(jì)研發(fā) 44 大類(lèi)芯片測(cè)試解決方案,可適用于不同終端應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試需求,完成超過(guò) 4300 種芯片型號(hào)的量產(chǎn)測(cè)試。
此外,該公司還為國(guó)內(nèi)知名芯片設(shè)計(jì)公司提供中高端芯片獨(dú)立第三方測(cè)試技術(shù)服務(wù),產(chǎn)品主要應(yīng)用于通訊、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子及工控等領(lǐng)域,工藝涵蓋 8nm、16nm、28nm 等先進(jìn)制程。
從這里可以看出,利揚(yáng)芯片更多是負(fù)責(zé)的芯片測(cè)試業(yè)務(wù),而非制造業(yè)務(wù),相對(duì)門(mén)檻更低一些,但在利揚(yáng)芯片之前,三星、臺(tái)積電都已宣稱(chēng)各自的3nm芯片量產(chǎn)有望在2022年實(shí)現(xiàn),這一制程工藝究竟有何魅力?
55nm、28nm、14nm、7nm……芯片制程工藝的更迭從未停止過(guò)。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談,其核心內(nèi)容為:集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過(guò)24個(gè)月便會(huì)增加一倍。換言之,處理器的性能每隔兩年翻一倍。晶片上可容納的電晶體數(shù)量大約每隔兩年增加1倍。工藝節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)狀是,摩爾定律逐漸放緩。
隨著3nm工藝的臨近,人類(lèi)正在逼近硅基半導(dǎo)體的極限,此前臺(tái)積電有信心將工藝推進(jìn)到2nm甚至1nm,但還是紙面上的,相關(guān)技術(shù)并沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室呢。
如果不能解決一系列難題,3nm工藝很有可能是未來(lái)CPU等芯片的極限了,但是10年前我們覺(jué)得65nm工藝是極限,因?yàn)榈搅?5nm節(jié)點(diǎn)二氧化硅絕緣層漏電已經(jīng)不可容忍,可芯片制造企業(yè)研發(fā)出了HKMG,用high-k介質(zhì)取代了二氧化硅,傳統(tǒng)的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結(jié)構(gòu)變成了金屬-highK-單晶硅結(jié)構(gòu)……每一次我們認(rèn)為極限即將到來(lái)時(shí),技術(shù)突破總會(huì)推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。
英特爾、三星、臺(tái)積電和其他公司正在為從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節(jié)點(diǎn)的新型全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GAA FET)過(guò)渡奠定基礎(chǔ),這種過(guò)渡將從明年或2023年開(kāi)始。
GAA FET將被用于3nm以下,擁有更好的性能、更低的功耗和更低的漏電壓。雖然GAA FET晶體管被認(rèn)為是FinFET的演進(jìn),并且已經(jīng)進(jìn)行了多年研發(fā),但任何新型晶體管或材料對(duì)于芯片行業(yè)來(lái)說(shuō)都是巨大的工程。需要指出的是,雖然同為納米片F(xiàn)ET,但GAA架構(gòu)有幾種類(lèi)型?;旧?,納米片F(xiàn)ET的側(cè)面是FinFET,柵極包裹著它,能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)更高的性能。
平面晶體管與FinFET以及GAA FET,來(lái)源:Lam Research
“GAA技術(shù)對(duì)于晶體管的持續(xù)萎縮至關(guān)重要。3nm GAA的關(guān)鍵特性是閾值電壓可以為0.3V。與3nm FinFET相比,這能夠以更低的待機(jī)功耗實(shí)現(xiàn)更好的開(kāi)關(guān)效果?!?IBS首席執(zhí)行官Handel Jones說(shuō)?!?3nm GAA的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本與3nm FinFET不會(huì)有顯著差異。但GAA的IP認(rèn)證將是3nm FinFET成本的1.5倍?!?/p>
高遷移率溝道并不是新事物,已經(jīng)在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來(lái)了集成方面的挑戰(zhàn),供應(yīng)商正在采取不同的方法解決:
·在IEDM(國(guó)際電子元件會(huì)議)上,英特爾發(fā)表了一篇有關(guān)應(yīng)變硅鍺(SiGe)溝道材料的納米片pMOS器件的論文。英特爾使用所謂的“溝道優(yōu)先”流程開(kāi)發(fā)該器件。
·IBM正在使用不同的后溝道工藝開(kāi)發(fā)類(lèi)似的SiGe納米片。
·其他溝道材料正在研發(fā)中。
掌握3nm制程工藝主動(dòng)權(quán)就掌握下一代芯片制造的主動(dòng)權(quán),對(duì)于從事芯片代工的三星和臺(tái)積電而言,3nm制程的確是必爭(zhēng)之地。
據(jù)《聯(lián)合報(bào)》報(bào)道,臺(tái)積電決定如期在2022年推動(dòng)3nm芯片量產(chǎn),目前臺(tái)積電初步規(guī)劃新竹工廠每月產(chǎn)能1萬(wàn)至2萬(wàn)片,臺(tái)南工廠產(chǎn)能為1.5萬(wàn)片。臺(tái)積電決定今年率先量產(chǎn)第二版3nm制程N(yùn)3B,將于今年8月于新竹12廠研發(fā)中心第八期工廠及南科18廠P5廠同步投片。分析師表示,第一批客戶包括蘋(píng)果和英特爾公司。
臺(tái)積電的3nm技術(shù)(N3)將是5nm技術(shù)(N5)后的又一全節(jié)點(diǎn)技術(shù),并在推出時(shí)提供PPA和晶體管技術(shù)中最先進(jìn)的代工技術(shù)。與N5技術(shù)相比,N3技術(shù)將提供高達(dá)70%的邏輯密度增益、高達(dá)15%的速度提升以及高達(dá)30%的功耗降低。N3技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展順利。N3技術(shù)將為移動(dòng)和HPC應(yīng)用程序提供完整的平臺(tái)支持。
有意思的是在2022年上半年最后一天,三星“壓哨”實(shí)現(xiàn)了自己對(duì)3nm量產(chǎn)時(shí)間的承諾。6月30日上午,三星電子發(fā)布公告,稱(chēng)該公司已開(kāi)始量產(chǎn)基于GAA晶體管(Gate-All-Around FET,全環(huán)繞柵極)結(jié)構(gòu)的3nm芯片。
這也意味著三星領(lǐng)先臺(tái)積電,正式成為全球第一家實(shí)現(xiàn)3nm制程量產(chǎn)的廠商。根據(jù)行業(yè)跟蹤機(jī)構(gòu)TrendForce的數(shù)據(jù),今年第一季度,臺(tái)積電占據(jù)了全球代工市場(chǎng)的53.5%,其次是三星,占16.3%。
目前,全球有意愿且有條件發(fā)展3nm芯片制造的廠商有臺(tái)積電、三星、英特爾三家。按計(jì)劃,臺(tái)積電的3nm制程將在2022年下半年量產(chǎn),而英特爾7nm制程改名后的Intel 4也計(jì)劃在2022年下半年量產(chǎn)。
雖然三星和臺(tái)積電兩家在3nm芯片量產(chǎn)時(shí)間上看似你爭(zhēng)我?jiàn)Z,但實(shí)際上早就有消息傳出蘋(píng)果已經(jīng)預(yù)定臺(tái)積電最初一批采用3nm工藝的芯片產(chǎn)能,用于生產(chǎn)iOS設(shè)備和自研芯片,而在此前的7nm上,2019年,臺(tái)積電代工7nm已超100種,蘋(píng)果、高通、AMD、聯(lián)發(fā)科等行業(yè)巨頭的訂單都被臺(tái)積電拿下;在5nm上,由于遇上EUV工藝成品率的問(wèn)題,三星開(kāi)始量產(chǎn)5nm時(shí),臺(tái)積電已拿下蘋(píng)果、高通的大單。
從這里看,三星已落后臺(tái)積電一大截,其急于在3nm上扳回一局的心態(tài)就很好理解了,而國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)除專(zhuān)注測(cè)試等環(huán)節(jié),在制造環(huán)節(jié)會(huì)跟進(jìn)3nm嗎?顯然,處于追趕的國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)更多精力還是在28nm等規(guī)格芯片的制造上。
以中芯國(guó)際為例,其已經(jīng)對(duì)外公布了2022年的資本開(kāi)支計(jì)劃,計(jì)劃拿出50億美元,主要用于28nm等芯片的產(chǎn)能提升,部分用于發(fā)展先進(jìn)制程的芯片工藝。
當(dāng)然,中芯國(guó)際將重心放在28nm等芯片上,也是有原因的。
首先,全球缺芯缺少的就是28nm等芯片,中芯國(guó)際又是最先擴(kuò)大28nm等芯片產(chǎn)能的廠商,最快2023年就將投產(chǎn)使用。
數(shù)據(jù)顯示,已經(jīng)有大量的訂單排隊(duì)等待,再加上,汽車(chē)等行業(yè)的缺芯情況并沒(méi)有得到明顯的改善,只要有28nm等芯片的產(chǎn)能,就不愁沒(méi)有訂單。更何況,在中芯國(guó)際已經(jīng)量產(chǎn)的芯片中,其敢于同國(guó)際大廠相比較,也就是說(shuō),中芯國(guó)際28nm等芯片的良品率也是世界先進(jìn)的。
從這里看,爭(zhēng)奪3nm制造暫時(shí)意義不大,但是通過(guò)承接部分業(yè)務(wù),進(jìn)一步加強(qiáng)同全球先進(jìn)芯片制造生態(tài)的聯(lián)系,并在成熟的制程工藝領(lǐng)域捕獲紅利和客戶,才是當(dāng)前國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)專(zhuān)注的地方。