芯片代工決戰(zhàn)先進制程，臺積電2納米為何一馬當(dāng)先？

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

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，三星表示將在3納米率先導(dǎo)入GAA技術(shù)，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(fā)上取得重大突破，凸顯了其強大的研發(fā)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(yè)不斷摸索新的工藝和材料發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)品、改進性能。半導(dǎo)體行業(yè)專家莫大康告訴《中國電子報》記者，目前半導(dǎo)體行業(yè)的主要發(fā)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(chǎn)品的性能，也能夠降低產(chǎn)品的成本。

臺積電和三星是芯片代工領(lǐng)域的佼佼者。據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，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(shè)備協(xié)會秘書長金存忠指出，臺積電在7納米量產(chǎn)的時程上領(lǐng)先于三星。對此，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)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(xiàn)7納米制程量產(chǎn)，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(xiàn)量產(chǎn)，時程的落后導(dǎo)致大量客戶訂單流失。

在先進制程領(lǐng)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(yù)計臺積電今年5納米可實現(xiàn)量產(chǎn)，但三星卻無法做到這點。看到臺積電拿下大量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(chǎn)基地，為第三方廠家提供芯片代工服務(wù)，試圖用“急沖”5納米的方式追趕臺積電。據(jù)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(chǎn)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(fā)上投入了大量資金，同時也對芯片工藝路線圖作出了調(diào)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(shù)。三星還基于納米片制造出了MBCFET（多橋式-溝道場效應(yīng)晶體管），可顯著增強晶體管性能，以取代FinFET晶體管技術(shù)。

莫大康告訴記者，盡管臺積電在GAA架構(gòu)的開發(fā)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(shù)，減少生產(chǎn)工具的變更能保持其成本結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時也能減少客戶的設(shè)計變更，降低其生產(chǎn)成本，或會產(chǎn)生更好的效果。周鵬表示，臺積電多年前已開始謀劃3納米工藝，計劃于2021年實現(xiàn)量產(chǎn)。在下一個節(jié)點2納米上，臺積電似乎領(lǐng)先一步，此次他們在2納米先進制程研發(fā)上取得的重大突破已說明了這點。據(jù)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(fā)工作，預(yù)計最快在2024年投產(chǎn)。而三星在2納米制程的研發(fā)上鮮有消息對外披露。

臺積電因何能在更先進制程“一馬當(dāng)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(dāng)于5納米），但目前仍主要堅守在10納米節(jié)點，希望將10納米做到“極致”，因此7納米及以下工藝節(jié)點的戰(zhàn)場就只剩下臺積電和三星，呈現(xiàn)絕對的寡頭競爭格局。本次臺積電在2納米先進制程研發(fā)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(lǐng)先地位。那么，臺積電因何能在更先進制程上“一馬當(dāng)先”呢？

莫大康介紹，其實臺積電并不是“一個人在戰(zhàn)斗”，臺積電能夠“超前”在2納米技術(shù)上獲得突破，得益于其背后有著龐大的群體在支持。據(jù)悉，臺積電始終強調(diào)，在做代工的同時時刻保持中立態(tài)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(guān)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(shù)量非常龐大。芯片在進入3納米制程后，現(xiàn)有的很多技術(shù)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(gòu)、工藝變異、熱效應(yīng)、設(shè)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(chǎn)速度，而這也是臺積電能夠在2納米領(lǐng)域“先發(fā)制人”的關(guān)鍵。

周鵬指出，臺積電在FinFET技術(shù)上的優(yōu)勢為臺積電在2納米先進制程的研發(fā)提供極大助力，使其占得先機。“隨著工藝節(jié)點發(fā)展到3nm后，晶體管溝道進一步縮短，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)遭遇量子隧穿效應(yīng)的限制。GAA-FET則相當(dāng)于FinFET的改良版，F(xiàn)inFET的柵極包裹溝道3側(cè)，與FinFET控制柵極漏電流的機理類似，GAA技術(shù)則將溝道四側(cè)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(shù)領(lǐng)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(shù)切換至2納米GAA技術(shù)起到了重要推動作用，大大縮短了臺積電先進制程技術(shù)更新迭代周期。”周鵬對記者說。

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

臺積電突破或刺激其他廠商技術(shù)升級

更先進制程的重大技術(shù)突破會影響整個集成電路產(chǎn)業(yè)和市場格局。周鵬表示，雖然對制程技術(shù)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(shù)的推出對于集成電路產(chǎn)業(yè)和市場格局有重大意義?！霸谙冗M制程的研發(fā)過程中，每條技術(shù)產(chǎn)線成本投資都超過百億美元。更高的研發(fā)和生產(chǎn)成本，對應(yīng)的是更難的技術(shù)挑戰(zhàn)。每當(dāng)制程工藝逼近物理極限，晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、沉積、刻蝕、集成、封裝等技術(shù)的創(chuàng)新與協(xié)同配合，能對芯片性能天花板的突破起到?jīng)Q定性作用。”周鵬對記者說。

周鵬還告訴記者，先進工藝節(jié)點的研究對于代工廠商以及整個半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展都至關(guān)重要，研發(fā)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(shù)突破對三星、英特爾等龍頭企業(yè)在先進制程領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)與技術(shù)升級能起到一定刺激作用。

周鵬預(yù)測，由于臺積電3納米工藝預(yù)定在2021年量產(chǎn)，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(fā)生變化？周鵬表示，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(dāng)然，三星和英特爾也在積極推進研發(fā)。工藝技術(shù)的研發(fā)充滿變數(shù)，未來誰能最終領(lǐng)先還需進一步觀察。

對于代工市場上先進制程的競爭，周鵬表示，這種競爭可以為整個集成電路行業(yè)和用戶帶來益處?！笆袌龅男枨篁?qū)動著先進制程的進一步開發(fā)，無論未來先進制程的引領(lǐng)者是誰，最終受益的將是整個集成電路行業(yè)以及享用高性能電子產(chǎn)品的每一個人。”周鵬對記者說。