半導體制程發(fā)展到28nm節(jié)點的時候,就達到了芯片性能與成本的完美平衡,。但是14nm,、10nm,、7nm,、5nm,以及2022年就可以實現(xiàn)量產的3nm制程,,不斷刷新著業(yè)界對先進制程技術的認知,。28nm之后的先進制程技術迭代速度超過了之前所有制程節(jié)點的發(fā)展速度,實現(xiàn)量產的廠家越來越少,,但是對其產品的要求越來越多,。
以智能手機為代表的便攜式電子產品的快速迭代,對芯片的PPA提出了更高的要求,,打破了性能與成本的平衡狀態(tài),,為了得到更小尺寸,更高性能的芯片,,成本已被一些產商放在了次要位置(前提是有巨量的芯片需求,,從而可以攤薄單個芯片成本)。
1,、28nm
在設計成本不斷上升的情況下,,只有少數客戶能負擔得起轉向高級制程節(jié)點的費用。因此,,就單位芯片成本而言,,28nm優(yōu)勢明顯,可以保持較長生命周期,。一方面,,相較于40nm及更落后制程,28nm工藝在頻率調節(jié),、功耗控制,、散熱管理和尺寸壓縮方面具有顯著的優(yōu)勢。另一方面,,由于20nm及更先進制程采用FinFET技術,,維持高參數良率以及低缺陷密度難度加大,每個邏輯閘的成本都要高于28nm制程,。
雖然高端市場會被 7nm,、10nm以及14nm/16nm工藝占據,,但40nm,、28nm等并不會退出。如28nm和16nm工藝現(xiàn)在仍然是臺積電的營收主力,,中芯國際則在持續(xù)提高28nm良率,。
目前,業(yè)內的28nm制程主要在臺積電,,GF(格芯),,聯(lián)電,,三星和中芯國際這5家之間競爭。
臺積電的28nm制程在2011年投入量產后,,營收占比只用了一年時間就從2%爬升到了22%,,迅速擴張的先進產能幫助臺積電在每一個先進制程節(jié)點都能搶占客戶資源、擴大先發(fā)優(yōu)勢,,并使其產能結構明顯優(yōu)于競爭對手,,用更高的產品附加值帶來了更高的毛利率。
對于重點發(fā)展特殊工藝的聯(lián)電來說,,28nm是其重點業(yè)務版塊,,為此,該公司還放棄了14nm以下先進制程的研發(fā)工作,。
作為中國大陸第一家制程工藝達到28nm,,且同時提供28納米PolySiON、28納米HKMG工藝的晶圓代工企業(yè),,中芯國際在國內有多個工廠,,而其28nm制程產品主要在位于北京的兩座中芯北方工廠生產。
另外,,近幾年,,SOI工藝快速崛起,這在很大程度上得益于格芯的大力推動,。業(yè)內人士普遍認為,,對于SOI工藝來說,28nm制程更具優(yōu)勢,,可以撐很久,,而且當工藝再往前演進時,SOI會越來越有優(yōu)勢,。28nm算是一個分界點,。到了這個節(jié)點,工藝可以很輕松的轉換到SOI,,而且目前有越來越多的EDA工具支持這種轉變,。
2、14nm
具有或即將具有14nm制程產能的廠商主要有7家,,分別是:英特爾(INTC.US),、臺積電、三星,、格芯,、聯(lián)電、中芯國際(00981)和華虹(01347),。
目前來看,,14nm制程主要用于中高端AP/SoC,、GPU、礦機ASIC,、FPGA,、汽車半導體等制造。對于各廠商而言,,該制程也是收入的主要來源,,特別是英特爾,14nm是其目前的主要制程工藝,,以該公司的體量而言,,其帶來的收入可想而知。而對于中國大陸本土的晶圓代工廠來說,,特別是中芯國際,,14nm制程技術已經在今年實現(xiàn)量產。這樣,,在兩三年后,,隨著新產能的成熟,14nm制程的市場格局值得期待,。
自2015年正式推出14nm制程后,,英特爾已經對其依賴了4年的時間,該制程也為這家半導體巨頭帶來了非??捎^的收入,。從Skylake(14nm)、Kaby Lake(14nm+),、Coffee Lake(14nm++),,到2018年推出的14nm+++,該公司一直在保持對14nm制程的更新,。而英特爾原計劃在2016年推出10nm,,但經歷了多次延遲,2019年才姍姍來遲,,從這里也可以看出該公司對14nm制程的倚重程度,。
臺積電(TSM.US)于2015下半年量產16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比,,盡管它們的節(jié)點命名有所不同,,三星和英特爾是14nm,臺積電是16nm,,但在實際制程工藝水平上處于同一世代,。
目前,,16nm制程依然是臺積電營收的主力軍,,貢獻率約為25%,。
14nm是格芯最先進的主流制程工藝,位于美國紐約州馬耳他,,這里除了14nm,,還有28nm的,最大產能為6萬片晶圓/月,,主要采用12英寸晶圓,。主要用于代工高端處理器。目前來看,,14nm產能占其總營收的比例較小,。
聯(lián)電方面,該公司位于臺南的Fab 12A于2002年進入量產,,目前已運用14nm制程為客戶代工產品,。然而,聯(lián)電的14nm制程占比只有3%左右,,并不是其主力產線,。這與該公司的發(fā)展策略直接相關,聯(lián)電重點發(fā)展特殊工藝,。
3,、12nm
中國大陸手機市場龐大,且中端和中低端占據著出貨量的大頭兒,,這就給了中端手機處理器芯片絕佳的發(fā)展機會,,相應的12nm制程技術的市場份額也就水漲船高了。
從目前的晶圓代工市場來看,,具備12nm制程技術能力的廠商也不多,,主要有臺積電、格芯,、三星電子和聯(lián)電,。聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進制程工藝的研發(fā)。因此,,目前來看,,全球晶圓代工市場,12nm的主要玩家就是臺積電,、格芯和三星這三家,,這一點,從近兩年市場推出的各種芯片也可見一斑,。
2018年8月,,華為發(fā)布了中端芯片麒麟710,采用的就是12nm制程,,用在了當時的中端機型,、在海外被稱為Mate 20 Lite上,。
聯(lián)發(fā)科則是12nm芯片的主力軍,代表產品多是中端芯片,,具體包括:Helio P22,,采用臺積電12nm FinFET工藝制造;Helio P60;Helio A 系列產品,該公司稱其把高端產品功能下放到了用戶基數龐大的大眾市場,。該系列的首款產品為Helio A22,。
在中國大陸,紫光展銳最近幾年在中端和中低端市場的拓展力度也很大,,并逐步擴大著市場占有率,,而在即將到來的5G市場,該公司推出了春藤510,,采用了臺積電12nm制程工藝,。
除了手機處理器之外,AMD的顯卡RX 590也采用了12nm制程代工生產,,而這款產品的代工廠為格芯和三星兩家,。由于AMD與格芯的深厚關系,其很多芯片都是由格芯代工的,,但隨著格芯宣布退出10nm及更先進制程的研發(fā)和投入,,使得AMD不得不將先進產品分給了三星和臺積電代工,從而分散了格芯的訂單,。
4,、10nm
到目前為止,有公開的10nm規(guī)劃,,且已經或即將量產該工藝節(jié)點芯片的廠商,,只有臺積電、三星和英特爾這三家,。此外,,中芯國際很可能也在進行著10nm、7nm制程的研發(fā)工作,,但具體情況還未公開,。
臺積電早在2013年就開始了10nm工藝的研發(fā)。而按照早期規(guī)劃,,臺積電的計劃是 2016 年第四季度量產10nm工藝,。而實際量產時間與其規(guī)劃基本吻合,2017年初實現(xiàn)了量產,,標志性應用就是蘋果的A11處理器,,這給臺積電帶來了巨大的收益。
不過,量產后,,臺積電10nm營收的比例基本持平,,且相對份額不高,28nm和16nm一直是該公司收入的主要來源,。
英特爾也早就開始了10nm的研發(fā),,原計劃是在2016年量產,,當時,,EUV還不成熟,因此,,英特爾選擇了多重四圖案曝光(SAQP)技術,,但研發(fā)過程中遭遇困難,導致10nm量產時間一再推遲,。而從當時的情況來看,,采用SAQP技術造成良率較低可能是遲遲無法規(guī)模量產的主要原因。
在那之后,,英特爾一直未對外公布10nm量產進度,,2017年初,時任英特爾CEO科再奇在美國CES展會前,,宣布首顆10nm處理器Cannon Lake就緒,,將迎戰(zhàn)臺積電和三星。然而,,沒過多久,,英特爾官方對外發(fā)布了繼承當年主打的第七代核心處理器Kaby Lake的第八代Core處理器細節(jié),表示仍將采用14nm制程生產,,10nm量產時間又被延遲了,。經過多年的周折和延遲,英特爾的10nm終于在2019年底實現(xiàn)量產,。
2015年7月,,三星電子旗下的制造部門Samsung Foundry的Kelvin Low 在網上發(fā)布了一段視頻,確認三星已經將 10nm FinFET 工藝正式加入路線圖,。
2017年,,幾乎與臺積電同步量產10nm制程后,三星將大部分的高通驍龍?zhí)幚砥饔唵问罩流庀?。不過,,為了趕上臺積電7nm制程量產的步伐,三星在10nm上花費的精力和時間也比較有限,,2019年,,三星的7nm制程收到了高通驍龍765的訂單。而與臺積電相似,將規(guī)劃的重點放在了未來的5nm和3nm上,,10nm也是曇花一現(xiàn),。
5、7nm
目前,,能夠量產7nm芯片的只有臺積電和三星這兩家,。
臺積電方面,7nm在2017年底就有試產,,2018年實現(xiàn)小批量生產,,大規(guī)模量產是在2019年,在2019年第二季開始量產N7+(EUV的),,與N7相比,,N7+的邏輯密度比N7提高15%至20%,同時降低了功耗,。
臺積電7nm工藝量產后,,2019年有100多個芯片陸續(xù)流片,包括CPU,、GPU,、AI、加密貨幣芯片,、網絡通信,、5G、自動駕駛等芯片,??蛻舭ㄌO果、華為海思,、聯(lián)發(fā)科,、高通、英偉達,、AMD,、賽靈思、比特大陸等,。蘋果的A13處理器,、海思的5G基站芯片,以及AMD的GPU,、CPU和服務器芯片都集中在2019下半年出貨,,且都在爭取臺積電7nm產能,使其相關產線處于滿負荷運轉狀態(tài),,交貨時間從原本的2個月拉長到半年,,客戶一直在排隊搶產能,。
目前來看,臺積電的7nm產能依然很搶手,。據悉,,今年下半年,臺積電的7nm產能將增至每月14萬片,。這其中,,AMD占據著不小的份額,由于該公司最近兩年快速崛起,,其在臺積電的訂單量也大增,,據悉,今年,,AMD的7nm訂單將增加一倍,,每月需要3萬片晶圓的產能,,占臺積電7nm晶圓總產能的21%,。此外,高通占臺積電7nm產能的比例在18%左右,,聯(lián)發(fā)科將占14%,。
與臺積電相比,三星7nm的產能利用率則遜色了很多,,在量產初期,,是以10K左右的少量量產開始的,隨著客戶下單量增加,,持續(xù)提升產能,。
初期,除了三星自家之外,,三星7nm EUV的客戶只有IBM,,雙方曾對外表示將合作開發(fā)下一代高性能Power處理器。另外兩個大客戶是英偉達和高通,。
今年2月,,三星宣布,在韓國華城工業(yè)園新開一條專司EUV技術的晶圓代工產線V1,,主要用于量產7nm,。目前,V1已經投入7nm和6nm EUV移動芯片的生產工作,,未來可代工到最高3nm水平,。根據三星規(guī)劃,到2020年底,,V1產線的總投入將達60億美元,,7nm及更先進制程的總產能將是2019年的3倍,。
6、6nm
6nm是7nm與5nm之間的過渡制程工藝,。
臺積電于2019年4月推出了6nm制程(N6),,設計方法與7nm工藝完全兼容,隨著EUV技術的進一步應用,,N6的邏輯密度將比N7提高18%,。根據規(guī)劃,臺積電的6nm制程于2020年第一季度試產,,并于年底前進入量產,。
三星方面,該公司于2019 年初宣布第一個基于EUV技術的6nm客戶開始流片,。此外,,三星原計劃在2020年推出6nm LPE版本。三星6nm在7nm EUV基礎上,,運用其Smart Scaling技術,,縮小芯片面積并降低了功耗。
7,、5nm
目前,,只有臺積電實現(xiàn)了5nm制程的量產。因此,,臺積電的5nm繼其7nm之后,,又成為了業(yè)界的香餑餑,產能供不應求,。
首先,,蘋果A14處理器和華為海思新款5G規(guī)格Kirin手機芯片是臺積電5nm工藝的首批兩大客戶,此外,,高通5G芯片X60及新一代驍龍875手機芯片,,也將采用5nm。供應鏈人士稱,,今年,,蘋果包下了臺積電三分之二的5nm產能。
此外,,業(yè)界大紅大紫的AMD也在爭取臺積電的5nm訂單,,估計明年會出貨。至于聯(lián)發(fā)科,、英偉達,、賽靈思、比特大陸等重要客戶,,也都在后邊排隊等候臺積電的5nm產能,。在這種情況下,,臺積電計劃將5nm月產能由原本的5萬片提升至8萬片。
三星也在加碼研發(fā)5nm工藝,,三星此前透露的信息顯示,,5nm LPE(5nm Low Power Early)工藝原計劃今年上半年投入量產,但從目前的情況來看,,量產要等到2021年了,。主要客戶是高通。
8,、3nm
臺積電的3nm預計于2022年實現(xiàn)量產,,到時候,首批大客戶很可能還是蘋果,。另外,,有消息稱英特爾最新的GPU也可能會交由臺積電的3nm產線生產。
而三星有希望超越臺積電的制程可能是3nm,,因為三星是第一家官宣使用全新GAA晶體管的,,在3nm節(jié)點將會用GAA環(huán)繞柵極晶體管取代FinFET晶體管,而臺積電依然會使用FinFET技術,。三星希望2021年量產3nm工藝,,而今年上半年完成3nm工藝開發(fā),。