為爭奪晶圓代工頭把交椅的競賽已趨白熱化，臺(tái)積電和三星都不惜撒下重金來獲得工藝上的領(lǐng)先。但是，在雙方全力爭奪的 3nm 工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)上,，近期卻相繼有開發(fā)遇阻的消息傳來,。在先進(jìn)工藝已逼近物理極限之時(shí),，每進(jìn)一步都要突破層層阻力,。晶圓代工之間的爭奪,，不單是資金投入的比拼，還是與時(shí)間的一場賽跑,。

　　與時(shí)間賽跑

　　蘋果 iPhone下一代的處理器無法采用臺(tái)積電的 3nm（N3）工藝了,。這是臺(tái)積電近期正式確認(rèn)的消息，N3 工藝的量產(chǎn)將會(huì)延遲 3 到 4 個(gè)月,。而據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道,，三星的 3nm 開發(fā)也遇到了問題，其 GAA 工藝仍面臨著漏電等關(guān)鍵技術(shù)問題,。

　　按照之前的規(guī)劃,，臺(tái)積電的 3nm 工藝將在 2022 年第三季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。3nm 的具體量產(chǎn)時(shí)間是與客戶共同協(xié)商決定的,，臺(tái)積電總裁魏哲家此前這樣表示,。蘋果是臺(tái)積電 3nm 工藝的首批客戶，后有傳聞?dòng)⑻貭栆渤蔀榱藝L鮮者,，其 GPU 和服務(wù)器芯片將采用 3nm 工藝,。不過，這一傳聞在英特爾架構(gòu)日上被破除,，N5 和 N6 將是臺(tái)積電為其代工的首要工藝,。

　　這一選擇不能直接說明 N3 工藝的進(jìn)展問題，但結(jié)合工藝進(jìn)展延遲的消息,，多少還是讓人意外的,。畢竟在 4 月 15 日的法說會(huì)上，臺(tái)積電還表示 N3 已經(jīng)提前至 3 月開始風(fēng)險(xiǎn)行試生產(chǎn),，并小量交貨,，進(jìn)度優(yōu)與原先預(yù)期。

　　局外人很難知道延遲的真正原因,，可以看到的是工藝進(jìn)展的不易,。業(yè)界知名專家莫大康就表示：“從 N5 向 N3 不是單一的光刻尺寸的縮小，涉及器件架構(gòu),、互連金屬等,，出現(xiàn)工藝延遲正常，要摸索工藝,，需要通過更多的硅片生產(chǎn)來積累經(jīng)驗(yàn),。”

　　三星方面也面臨著類似的問題,。早在 2019 年三星就公布了 3nm GAA 工藝的 PDK 物理設(shè)計(jì)套件標(biāo)準(zhǔn),，預(yù)計(jì) 3nmGAA工藝會(huì)在 2020 年底試產(chǎn),，2021 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前看來,，這一目標(biāo)是遠(yuǎn)不能達(dá)成了,。按照三星在今年 6 月完成 3nm 芯片 Tapeout（流片）的進(jìn)度來看，2022 年將是其量產(chǎn)的初步時(shí)間,。

　　不過一些英文媒體不看好三星能在 2023 年之前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),，依據(jù)就是疫情導(dǎo)致 3nm 工藝所需的極紫外光刻機(jī)（EUV）和其他關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的交付延期，進(jìn)而推遲了量產(chǎn)的時(shí)間,。

　　三星當(dāng)初選擇 GAA 工藝,，就是因?yàn)橄胪ㄟ^提前布局，在 3nm 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)彎道超車,。三星的 3nm GAA 工藝分為 3GAAE / GAAP （3nm Gate- AlI-Around Early/Plus） 兩個(gè)階段,，被業(yè)界認(rèn)為真正成熟的將是 GAAP 工藝，GAAE 將可能只是用于自己的芯片上,。

　　與之相比,，臺(tái)積電繼續(xù)在 3nm 節(jié)點(diǎn)選擇 FinFET 工藝，則是考慮到可以繼續(xù)挖掘現(xiàn)有工藝的優(yōu)勢(shì),，在三星之前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),。有業(yè)內(nèi)人士就指出，臺(tái)積電在 GAA 架構(gòu)的開發(fā)上落后三星 12 至 18 個(gè)月,，因而積極推進(jìn)的 3nm FinFET 策略可以彌補(bǔ)這一劣勢(shì),。

　　因此，三星的 3nm 工藝如果不能在 2023 年之前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)獲得客戶訂單,，那么將在代工領(lǐng)域處于不利地位。同理,，臺(tái)積電如果不能在時(shí)間上取得領(lǐng)先,，也將面臨被動(dòng)的局面。

　　對(duì)于雙方來說,，都是一場與時(shí)間的賽跑,。

　　要跨越技術(shù)鴻溝

　　3nm 工藝的量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)就像跨越鴻溝一樣。就以光刻為例,，晶圓代工廠希望盡可能地實(shí)現(xiàn) EUV 單次曝光,，因?yàn)檫@將可以簡化工藝。然而,，EUV 單次曝光實(shí)現(xiàn)的間距極限是 32nm 到 30nm 間,，對(duì)應(yīng)著 5nm 左右的工藝節(jié)點(diǎn)。要進(jìn)展到 3nm 工藝,，芯片制造商就要尋找新的方案,。第一個(gè)選擇就是 EUV 雙曝光,，第二選擇是開發(fā)高數(shù)值孔徑（NA）EUV 掃描儀，這是一個(gè)全新的系統(tǒng),。ASML 的高數(shù)值孔徑 EUV 系統(tǒng)采用新的 0.55 數(shù)值孔徑透鏡,，分辨率提升了 70%，仍在研發(fā)階段,。

　　高 NA EUV 系統(tǒng)復(fù)雜且昂貴,，并且給晶圓廠中引入很多風(fēng)險(xiǎn)。此外,，該系統(tǒng)不會(huì)為 2022 年的 3nm 初始階段做好準(zhǔn)備,。根據(jù)最新的消息，這種新光刻機(jī)要在 2025-2026 年之間才能規(guī)模應(yīng)用,。因此,，晶圓代工廠可能別無選擇，只能采用 EUV 雙曝光的方法,。在雙曝光方案中,，芯片分割在兩個(gè)掩模上并打印在晶圓上，既增加成本又會(huì)影響良率,。

　　這還僅是開發(fā) 3nm 所面對(duì)的共同挑戰(zhàn),，考慮到臺(tái)積電和三星所采取的不同工藝路徑，其各自都將面對(duì)不同的障礙,。

　　臺(tái)積電要將 FinFET 工藝從 5nm 遷移到 3nm,，就在理論上挑戰(zhàn)了 FinFET 工藝的極限。在進(jìn)入 3nm 之后,，F(xiàn)inFET 晶體管的鰭片難以在本身材料內(nèi)部應(yīng)力的作用下維持直立形態(tài),，尤其是在能量更高的 EUV 制程導(dǎo)入之后，這樣的狀況會(huì)更為嚴(yán)重,。三星面臨的困難也不少,，GAA 則是全新的架構(gòu)，器件參數(shù)的不確定性會(huì)更大,，很多影響將難以預(yù)估,。

　　技術(shù)挑戰(zhàn)之外，3nm 工藝還將面對(duì)巨大的成本壓力,。IBS Research 2019 年的一份報(bào)告預(yù)測,，雖然 3nm 芯片的每晶體管成本將降低，但晶圓和芯片模具的總體成本將增加,。IBS 在其研究中估計(jì),，10 億個(gè)晶體管部分的單個(gè)晶體管部分將達(dá)到 2.16 美元，低于 5nm 工藝的 2.25 美元。不過,，3nm 單片晶圓的成本為 15,500 美元,，比 5nm 增加 3,000 美元，模具將比上一代的 23.57 美元高出 30.45 美元,。此外,，由于 3nm 預(yù)計(jì)將采用 25 層 EUV 光罩，因?yàn)榇r(jià)格將可能達(dá)到 30,000 美元,?？紤]到不是每個(gè)客戶都能承受，因此臺(tái)積電正評(píng)估啟動(dòng)持續(xù)改善計(jì)劃（Coutinuous Improvement Plan）,，推出改款版 3nm,，通過減少 EUV 光罩層數(shù)、略增加芯片尺寸,，降低成本,、提高良率，提供客戶兼具性能和成本的解決方案,。

　　所以,，3nm 的開發(fā)也就成了一場金錢投入的競賽。三星表示,，到 2030 年邏輯芯片投入將達(dá) 1,077 億美元,。臺(tái)積電也將資本支出以一調(diào)再調(diào)，由原來的 250-280 億美元調(diào)整到 300 億美元,，其中 80% 將用于 3nm,、5nm 等先進(jìn)制程。

　　好在憑借多年形成的口碑,，臺(tái)積電的 3nm 沒有量產(chǎn)卻已經(jīng)訂單排滿,，蘋果、AMD 都先后預(yù)約了明后年的產(chǎn)能,。按照臺(tái)積電的說法,，HPC 的潛在客戶和智能手機(jī)領(lǐng)域?qū)?N3 的興趣都很大。此前的規(guī)劃中,，3nm 正式量產(chǎn)時(shí)的初期月產(chǎn)能為 5.5 萬片，2023 年月產(chǎn)能可達(dá) 10.5 萬片,。如果這些產(chǎn)能都被預(yù)定一空,，臺(tái)積電將在 3nm 代工市場再次擁有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

　　不過,，三星的情況也稍顯特殊,。與專心做代工業(yè)務(wù)的臺(tái)積電不同，三星是一個(gè) IDM 公司，其總產(chǎn)能多為自己使用,。2020 年,，三星將其晶圓代工廠產(chǎn)的 60％用于內(nèi)部使用，主要用于智能手機(jī)的 Exynos 芯片,。其余產(chǎn)能來自非專屬客戶,，高通占 20％，其余 20％來自 Nvidia,，IBM 和英特爾,。如果 3nm 工藝實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，靠其內(nèi)部還是能消化很大一部分產(chǎn)能的?，F(xiàn)在唯一要注意的就是不能再出現(xiàn)失誤,，拖延量產(chǎn)進(jìn)度。

　　不過,，3nm 工藝進(jìn)展表面是兩強(qiáng)的競爭,，實(shí)則是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的跟進(jìn)。正如莫大康所指出,，3nm 是一個(gè)焦點(diǎn),，不能僅靠臺(tái)積電、三星的推進(jìn),，最終還要看制造商和設(shè)備商等產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的努力,。

　　來源：C114通信網(wǎng)

　　作者：李延