2nm制程:四強爭霸,誰是炮灰?
距離 2nm 制程量產(chǎn)還有一年左右的時間,當下,對于臺積電、三星和英特爾這三大玩家來說,都進入了試產(chǎn)準備期,新一輪先進制程市場爭奪戰(zhàn)一觸即發(fā)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202406/459595.htm經(jīng)過多年的技術(shù)積累、發(fā)展和追趕,在工藝成熟度和良率方面,三星、英特爾與臺積電的差距越來越小了,在 2nm 時代,臺積電依然占據(jù)優(yōu)勢地位的局面可以預見,但與 5nm 和 3nm 時期相比,市場競爭恐怕會激烈得多。
三大玩家的 2nm 技術(shù)路線
在發(fā)展 2nm 制程技術(shù)方面,臺積電、三星和英特爾既有相同點,也有不同之處,總體來看,臺積電相對穩(wěn)健,英特爾相對激進,三星則處于居中位置。
首先看臺積電。
該晶圓代工龍頭的 2nm 制程將包括 N2、N2P 和 N2X 三個版本,預計 2025 下半年開始量產(chǎn)其第一代 GAAFET N2 節(jié)點芯片,2nm 的下一個版本 N2P 將在 2026 年底量產(chǎn)。與英特爾不同,臺積電的這兩個版本 2nm 工藝沒有使用背面供電技術(shù),不過,整個 N2 系列將增加臺積電新的 NanoFlex 功能,該功能允許芯片設計人員在同一模塊中匹配來自不同庫(高性能、低功耗、不同面積)的單元,以提高性能或降低功耗。
為了控制成本,臺積電將使用 GAAFET 晶體管架構(gòu),而不是傳說中的互補式場效應晶體管(CFET)。
臺積電的 3nm 工藝已經(jīng)支持一種稱為 FinFlex 的功能,它也允許設計人員使用來自不同庫的單元,不過,N2 依賴于 GAAFET 納米片晶體管,使 NanoFlex 提供了一些額外的控制能力,可以優(yōu)化性能和功率的通道寬度。
與 N3E 相比,臺積電預計 N2 在相同功率下可將性能提高 10%~15%,或在相同頻率和復雜性下將功耗降低 25%~30%。
N2 之后將是性能增強型 N2P,以及 2026 年的電壓增強型 N2X。盡管臺積電曾表示 N2P 將在 2026 年增加背面供電網(wǎng)絡(BSPDN),但看起來情況并非如此,N2P 將使用常規(guī)供電電路,具體原因尚不清楚。
N2 仍有望采用與電源相關的創(chuàng)新,也就是超高性能金屬絕緣體金屬(SHPMIM)電容器,這種電容器可以提高電源穩(wěn)定性,SHPMIM 電容器的容量密度是臺積電現(xiàn)有超高密度金屬絕緣體金屬(SHDMIM)電容器的兩倍多。
下面看三星。
三星也將于 2025 年量產(chǎn) 2nm(SF2)制程芯片,然后于 2026 年采用背面供電技術(shù)。與 3nm 工藝(SF3)相比,三星的 2nm 工藝性能提升 12%,功率效率提升 25%,面積減少 5%。
相對于臺積電而言,三星公布的 2nm 制程工藝技術(shù)細節(jié)不多,不知道量產(chǎn)時是否會有什么大招放出。
最后看英特爾。
2024 年初,在發(fā)布其「四年內(nèi)五個節(jié)點」計劃(稱為「5N4Y」)時,英特爾介紹了其 20A(2nm 級)制程技術(shù),該工藝計劃在 2025 年初投入生產(chǎn)。
據(jù)悉,英特爾的 20A 引入了 RibbonFET GAA 晶體管和 PowerVia 背面供電技術(shù),而之后的升級版本 18A 則將改進這兩種技術(shù)。該公司是背面供電技術(shù)的積極倡導者,并在不斷改進,因此,預計英特爾也將會在 2nm 制程技術(shù)領域有較多創(chuàng)新。
英特爾將比臺積電早兩年使用背面供電技術(shù),此外,在使用 GAA 晶體管架構(gòu)方面,也比臺積電早一年半的時間。但是,是否可以將這些新技術(shù)轉(zhuǎn)化成實實在在的量產(chǎn)優(yōu)勢,關鍵還是要看英特爾能否將 PPA(性能、功耗、面積)優(yōu)化到位。
數(shù)字游戲
2024 年 3 月,三星電子通知客戶和合作伙伴,宣布將新版第二代 3nm 工藝改名為 2nm。三星稱,該工藝將在今年年底量產(chǎn)。
一位 IC 設計業(yè)內(nèi)人士表示:「我們收到了三星電子的通知,他們正在將第二代 3nm 制程更名為 2nm。我們?nèi)ツ昱c三星電子代工廠簽訂的第二代 3nm 制程合同也將更名為 2nm,因此,我們需要在不久的將來重寫合同?!?/span>
有業(yè)內(nèi)人士表示,三星第二代 3nm 制程減小了晶體管尺寸,很大程度上是為了滿足營銷的需要。
臺積電在 IEEE 國際電子元件會議(IEDM)上揭露,將繼 2nm 后,推出 1.4nm 制程,且延續(xù)將 2nm 正式命名為 A20 的做法,1.4nm 被命名為 A14,預計 2027~2028 年量產(chǎn)。
三星緊追臺積電不放,宣布計劃 2027 年量產(chǎn) 1.4nm 制程。
英特爾對制程的命名則一改多年前的「倔強」,不再固守摩爾定律的絕對規(guī)范,而是考慮到更多的商業(yè)化拓展需求,讓制程節(jié)點聽起來更接近市場和客戶習慣。因此,該公司 CEO 基辛格在主持英特爾創(chuàng)新日臺北場時重申,Intel 7 已進入量產(chǎn)階段,Intel 4 現(xiàn)已量產(chǎn)準備就緒,Intel 3 也會按計劃于今年底推出。他在現(xiàn)場展示了以 Intel 20A 試產(chǎn)出的晶圓,預計將用于 2025 年推出的 Arrow Lake 處理器,Intel 18A 也將有望在 2025 下半年進入量產(chǎn)階段。
目前,對于 5nm 及以下的先進制程工藝,出現(xiàn)了越來越多的「數(shù)字游戲」,這也是競爭壓力下的產(chǎn)物,由于臺積電的先進制程在業(yè)內(nèi)深入人心,要想提升競爭力,獲得更多市場份額,就不得不順應市場需求和客戶習慣,才有助于拓展市場空間。
2nm 制程量產(chǎn)的挑戰(zhàn)
2025 年是 2nm 制程量產(chǎn)元年,真正的較量恐怕會出現(xiàn)在 2026 年。對于臺積電、三星、英特爾,以及日本的 Rapidus 來說,依然需要解決各自的問題,才能將量產(chǎn)工作鋪開。
臺積電的高成本
International Business Strategies(IBS)的分析師認為,與 3nm 處理器相比,2nm 芯片成本將增長約 50%。
IBS 估計,一個產(chǎn)能約為每月 50000 片晶圓(WSPM)的 2nm 產(chǎn)線的成本約為 280 億美元,而具有類似產(chǎn)能的 3nm 產(chǎn)線的成本約為 200 億美元。增加的成本,很大一部分來自于 EUV 光刻設備數(shù)量的增加,這將大大增加每片晶圓和每個芯片的生產(chǎn)成本,而能夠接受如此高成本芯片的廠商,只有蘋果、AMD、英偉達和高通等少數(shù)幾家。
IBS 估計,2025~2026 年,使用臺積電 N2 工藝加工單個 12 英寸晶圓將花費蘋果約 30000 美元,而基于 N3 工藝的晶圓成本約為 20000 美元。
隨著對 AI 處理器需求的增加,英偉達在臺積電收入中的份額會在 2024 年增加,該公司已經(jīng)預訂了臺積電晶圓代工和 CoWoS 封裝產(chǎn)能,以確保其用于 AI 的優(yōu)質(zhì)處理器的穩(wěn)定供應。今年,AMD 在臺積電總營收中的份額有望超過 10%。
正是有蘋果、英偉達、AMD 等大客戶下單,臺積電才會大規(guī)模投資最先進制程,否則,像 2nm 這樣燒錢的制程產(chǎn)線,是很難持續(xù)支撐下去的。但是,就目前的情況來看,臺積電對 2024 全年的晶圓代工市場預判較為保守,認為之前的預估過于樂觀了,之前預估該行業(yè)年增長 20% 左右,現(xiàn)在看來,增長率可能只有 10% 左右。在這種情況下,雖然有大客戶的訂單,也必須控制一下成本和資本支出了。
目前,臺積電正在全方位的控制成本,包括 EUV 設備的支出,電能的節(jié)省等。雖然在 2nm 制程成本方面,其它幾家廠商也會面臨成本問題,但為了追趕臺積電,三星和英特爾似乎在成本方面沒有臺積電那么敏感。另外,由于臺積電要在美國新建至少兩座先進制程晶圓廠,這給它帶來了很多額外的成本壓力。因此,臺積電的 2nm 制程產(chǎn)線必須精打細算。
三星的良率問題
對于晶圓代工來說,良率非常重要,它直接影響生產(chǎn)成本和客戶認可度。
自從進入 5nm 制程時代以來,良率一直是三星晶圓代工業(yè)務所面對的最大問題,特別是在 3nm 制程節(jié)點上,三星率先引入了全新的 GAA 架構(gòu)晶體管,與以往使用的 FinFET 晶體管有較大區(qū)別,也使良率問題進一步放大。
據(jù) Notebookcheck 報道,三星的 3nm 工藝良率在 50% 附近徘徊,依然有一些問題需要解決。三星 2023 年曾表示,其 3nm 工藝量產(chǎn)后的良率已達到 60% 以上,不過,現(xiàn)在看來,當時過于樂觀了。
今年 2 月,據(jù)韓媒報道,三星新版 3nm 工藝存在重大問題,試產(chǎn)芯片均存在缺陷,良率為 0%。報道指出,采用 3nm 工藝的 Exynos 2500 芯片因缺陷未能通過質(zhì)量測試,導致后續(xù) Galaxy Watch 7 的芯片組也無法量產(chǎn)。報道指出,由于 Exynos 2500 芯片試產(chǎn)失敗,三星推遲了大規(guī)模生產(chǎn),目前,尚不清楚是否能夠及時解決良率問題。
為了追趕臺積電,三星的 3nm 制程工藝采取了比較激進的策略,主要體現(xiàn)在 GAA 晶體管架構(gòu)上,臺積電的 3nm 依然采用 FinFET。2nm 才會轉(zhuǎn)向 GAA 晶體管,激進的結(jié)果就是要在良率方面付出一些代價。
如果 3nm 的良率問題不能解決,2nm 恐怕會出現(xiàn)同樣的問題。
英特爾的客戶
對于晶圓代工業(yè)新進入者,英特爾面臨的最大問題當然是客戶認可度,特別是像 2nm 這樣先進的制程工藝,對于在 10nm 以下晶圓代工市場鮮有量產(chǎn)經(jīng)驗和出貨量的廠商來說,在與臺積電和三星的競爭中,如何搶奪客戶,特別是有較大出貨量需求的客戶(2nm 成本很高,若出貨量小,根本不可能盈利),是一大挑戰(zhàn)。
Rapidus 的挑戰(zhàn)
日本 Rapidus 晶圓廠的 2nm 制程工藝源自 IBM。Rapidus 派遣工程師前往 IBM 在紐約的奧爾巴尼納米技術(shù)中心進行研發(fā),并與 IBM 以外的合作伙伴合作開發(fā) 2nm 工藝,目標是在 2020 年代后期進行大規(guī)模生產(chǎn)。
與英特爾類似,Rapidus 是晶圓代工業(yè)的新進入者,大規(guī)模生產(chǎn)工藝研發(fā)是從零開始的,客戶認可度是一大挑戰(zhàn)。
假設已經(jīng)投資 Rapidus 的豐田汽車、電裝、NTT、IBM 等公司將他們需要的先進制程芯片交由 Rapidus 代工生產(chǎn),但是,這些廠商能有多少 2nm 制程芯片需求?而將先進制程芯片外包給臺積電、三星等晶圓代工廠的客戶,如蘋果、高通、AMD、英偉達和聯(lián)發(fā)科,才是出貨量大戶,他們能否選擇 Rapidus,關鍵在于這些大客戶能夠充分了解并認可 Rapidus 的工藝水平,以及所創(chuàng)造的附加值,如果不能的話,他們很難將訂單從臺積電和三星那里轉(zhuǎn)出。
另外,僅僅在奧爾巴尼學到了 IBM 的 2nm 工藝,并不意味著可以直接將其應用于 Rupidus 晶圓廠的大規(guī)模生產(chǎn),有很多工程問題需要解決,這不是一朝一夕的事情。
還有一個問題是 Rapidus 能獲得多少 EUV 設備,這對 2nm 制程芯片量產(chǎn)至關重要。ASML 在 2022 年的 EUV 光刻設備出貨量約為 55 臺,2023 年的產(chǎn)能提高到 60 臺以上,到 2025 年可達到 90 臺左右。但是,隨著制程工藝的特征尺寸小越來越小,EUV 光刻的層數(shù)會持續(xù)增加,其它幾家晶圓廠會持續(xù)爭奪 EUV 設備,Rapidus 能得到多少呢?
結(jié)語
據(jù)韓媒報道,臺積電總裁魏哲家沒有出席 23 日在臺北舉行的臺積電 2024 年技術(shù)論壇,是因為他前往歐洲秘密訪問 ASML 荷蘭總部和德國工業(yè)激光大廠 TRUMPF。
為了沖刺先進制程晶圓代工,英特爾已成為 ASML 首臺最新型 High-NA EUV(高數(shù)值孔徑 EUV 光刻機)的買家。臺積電高層原本表示,其 2nm 和 A16 制程節(jié)點并不需要 High-NA EUV,因為它太貴了。但據(jù) BusinessKorea 報道,臺積電總裁魏哲家這次秘密飛往荷蘭,是與 ASML 商討 EUV 設備事宜。
雖然魏哲家的訪歐行程是保密的,但 ASML 新任 CEO 富凱(Christophe Fouquet)和 TRUMPF 公司 CEO 卡穆勒(Nicola Leibinger-Kammüller)都在社群媒體上曝光了魏哲家到訪的消息。富凱直言,ASML 向魏哲家介紹了公司的最新技術(shù)與產(chǎn)品,包括 High-NA EUV 設備將如何實現(xiàn)未來半導體的微制程工藝技術(shù)。
這可以從一個側(cè)面反映出臺積電、英特爾和三星爭奪新一代光刻設備的競爭在升溫,2nm 及以下先進制程的競賽已經(jīng)開打。
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