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代工双雄如何走向3nm?

总体来看,4nm属于过渡性制程工艺,3nm才是5nm后的主要节点,目前,这两家厂商将大量的精力和财力都投入到了3nm产线的建设上。
2021-11-24 10:09 · 微信公众号:半导体行业观察  畅秋   
   

11月19日,联发科正式发布了其近些年来最高端的手机SoC芯片天玑9000,采用了台积电4nm制程工艺,这也是全球首款4nm芯片,有望在2022年第一季度量产。

5nm芯片在2020年就已实现量产,华为麒麟9000、高通骁龙888,以及苹果的A14、A15等芯片,都采用了5nm工艺制造。在此基础上,台积电和三星正向3nm芯片进发。在3nm量产之前,4nm制程填补了5nm与3nm之间的空挡。

两强之间的游戏

4nm制程依然是台积电和三星之间的竞逐游戏。

2020年7月,台积电宣布,将推出4nm制程,该工艺与其5nm属于同一平台,但4nm工艺的速度、功耗和密度都有了改善。而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。这也能保证台积电客户在每一代的投资,都能获得更好的效益。计划在2022年大规模量产4nm芯片,由于台积电的3nm制程将会在2022年下半年大规模量产,4nm制程作为5nm制程的延伸,可能会在上半年量产。

台积电CEO、副董事长魏哲家表示,台积电的4nm工艺是作为5nm工艺的一种延申,台积电推出4nm的目的就是在3nm未大规模量产时形成一种补充,为客户提供更好的产品。

魏哲家表示,台积电的4nm工艺将兼容5nm工艺的设计规则,较5nm有着更好的性价比优势,本质上,台积电的4nm是5nm的一种改良型,并不涉及新的制造设备和工艺。它瞄准的是下一代的5nm产品。

今年10月,在原有4nm的基础上,台积电又宣布了一个新的制程工艺节点N4P,确切地说是N5、N5P、N4之后的第四个版本、第三个升级版,注重高性能。

台积电称,N4P工艺相比最初的N5工艺可提升11%的性能,或者提升22%的能效、6%的晶体管密度,而对比N4可将性能提升6.6%。此外,N4P工艺会重复使用多层屏蔽,因此可大大降低工艺复杂度,加快晶圆生产速度。

台积电称,N4P工艺是为客户5nm工艺平台产品升级准备的,不但可以最大化挖掘投资价值,还可以更快、更高效地升级N5工艺产品。第一款基于N4P工艺的产品预计2022年下半年流片。

三星方面,发布了4LPP制程,是4nm的低功耗版本,将在 2022 年实现量产。4LPP依赖于FinFET,这也是三星的最后一个采用FinFET工艺的先进制程技术,从3nm开始,该公司将采用GAA工艺。

此前,三星将其4LPE视为其7LPP工艺的演进版本。或许这是因为4nm可提供比5nm更好的PPAc(功率、性能、面积、成本)优势。三星还特别提到了5LPE和5LPP的密度和性能改进,但只提到了4LPP的功率和性能改进。如果其中一个节点不满足某些期望,重叠技术将有助于降低风险。

三星计划在2021年同时使用其4LPE和5LPP技术提高产量,这可能使其能够为不同的芯片设计提供不同的 PPAc 优势。

4nm芯片逐一显露

目前来看,已经或即将发布4nm制程芯片的厂商,除了第一个官宣的联发科之外,高通也将发布4nm新品,此外,传说苹果在2022年也很有可能推出4nm旗舰芯片。

12月初,也就是下周,高通将发布最新的旗舰芯片骁龙8 Gen1,据说将采用4nm制程。据此前消息,骁龙8 gen 1基于三星4nm工艺打造,采用三丛集架构设计,CPU方面分别为1*3.0GHz X2超大核+3*2.5GHz大核+4*1.79GHz小核,GPU为Adreno 730。还有消息称,高通的骁龙8 Gen1将先后在三星和台积电生产,采用的都是这两家4nm工艺。

11月初,有消息称,苹果2022年的A16 Bionic 处理器可能改用4nm制程。

有人分析认为,相较3nm,以5nm制程为基础改良的4nm制程技术相对稳定,同时也因为制程技术相对成熟,使得生产成本相对低廉,因此若以此制程生产苹果下一款处理器,较为保险。

针对报导指称因为台积电的3nm制程发展进度无法赶上苹果明年预计推出的A16 Bionic处理器量产时程,因此可能转以4nm制程技术生产的说法,台积电强调3nm制程技术进展将维持既有进度,不对市场传闻作任何评论。

不过,依照过往苹果作法来看,若台积电的3nm制程技术在符合要求的情况下,依然会最快时间采用,并且用于旗下新款处理器产品,预期会率先应用在新款iPad上,同时也会用于新款iPhone产品。

苹果公司的A14芯片率先采用了台积电的5nm制程工艺,而A15芯片组则继续使用台积电5nm工艺的增强版N5P。

在某种程度上,台积电的4nm制程工艺也是对扩展摩尔定律成本越来越高的回应,4nm也将看到EUV层数的减少。在 6 月份的 2021 年在线技术研讨会上,台积电透露其 4nm 工艺将在 2021 年第三季度进入风险生产,比预期更早。

早在 2020 年,包括 TrendForce 在内的各种消息来源就已经预测,苹果2022年的 A16 芯片可能会选择台积电的 4nm 工艺。至于3nm技术,英特尔和Graphcore已被确认为其采用者,最近中国智能手机制造商OPPO也被报道为3nm的潜在客户。

另外,今年早些时候,有台湾地区媒体报道,苹果公司已经向台积电预订了4nm制程的初期产能,用来生产供下一代Mac使用的芯片。

3nm才是主战场

以上谈的是4nm,台积电和三星在该制程节点都有布局,但总体来看,4nm属于过渡性制程工艺,3nm才是5nm后的主要节点,目前,这两家厂商将大量的精力和财力都投入到了3nm产线的建设上。

台积电方面,该公司董事长刘德音曾经表示,在3nm制程上,于南科厂的累计投资将超过 2万亿元新台币,目标是3nm量产时,12英寸晶圆月产能超过60万片。60万片的月产能,这是一个非常惊人的数字,不过,在量产初期是达不到的,需要一个过程。据Digitimes报道,台积电3nm芯片在2022年下半年开始量产,单月产能5.5万片起,2023年,将达到10.5万片。

台积电在台南科学园区有3座晶圆厂,分别是晶圆十四厂、晶圆十八厂和晶圆六厂,其中前两座是12英寸晶圆厂,后一座是8英寸晶圆厂。晶圆十八厂是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,他们在2016年就公布了建厂计划,工厂靠近5nm制程工艺的主要生产基地晶圆十八厂。

2020年11月,台积电举行了南科晶圆十八厂3nm厂新建工程上梁典礼,预计今年装机,并于年底试产。

三星方面,2020年初,有外媒报道称,三星已开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产,成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯极紫外光刻(EUV)生产线。而该工厂还被认为是三星3nm制程的主阵地。

据悉,三星V1晶圆厂位于韩国华城、毗邻 S3。三星于2018年2月开始建造V1,并于2019 下半年开始晶片的测试生产。目前,该公司还在扩大V1晶圆厂的产能规模,也在紧锣密鼓地为3nm量产做着准备。

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