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先跑并不意味着先赢 良品率才是赢得3nm之争的关键

作者:陈玲丽时间:2022-06-21来源:电子产品世界收藏

正在进一步扩大其在中国台湾的生产,将在台南地区再新建四座晶圆厂,每座都将花费100亿美元建造,这几百亿美元的投资是属于此前一项1200亿美元投资计划的一部分。

本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/202206/435416.htm

6月初,刚刚宣布将投资336亿美元在台南建设四座新的2nm晶圆厂,厂房面积将近95万平方米,后续的1nm厂也可能落脚此处。按照台积电的计划,这八座工厂都只是台积电建造计划的一部分,它至少有二十座工厂正在建设中或即将完工,总建筑面积超过了200万平方米。

台湾并不是台积电唯一在建工厂的地区,一个价值120亿美元的亚利桑那工厂项目预计将于2023年3月完工。据报道,台积电还与新加坡经济发展局就新工厂进行了谈判。

台积电已经公布了后续工艺发展的路线图,N3工艺将于2022年内量产,后续还有其他N3衍生制造工艺。新建四座晶圆厂可能也是台积电为不同应用准备多个版本的N3以及FinFlex技术的原因,以便为芯片设计人员的设计提供一些额外的灵活性。

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据传,第一批采用台积电技术的客户将是苹果和英特尔,但目前尚不清楚这些公司将使用该新技术生产何种产品。

台积电推出多种3nm工艺

随着制造工艺变得越来越复杂,它们的寻路、研究和开发时间也变得越来越长,因此我们再也看不到台积电和其他代工厂每两年就会准时出现一个全新的节点。在N3中,台积电的新节点引入节奏将扩大到2.5年左右,随后需要提供N3的增强版本以满足其客户的需求。

台积电需要多个版本的N3的另一个重要原因是N2将依赖于使用纳米片实现全新的栅极环绕场效应晶体管(GAAFET),预计这会带来更高的成本、新的设计方法、新IP和许多其他变化,所以许多普通客户大概率也将在未来几年坚持使用各种N3技术。

在2022年台积电技术研讨会上,谈到了将在未来几年推出的几种3衍生制造工艺 —— N3E、N3P和N3X。这些N3变体旨在为超高性能应用提供改进的工艺窗口、更高的性能、增加的晶体管密度和增强的电压。

· 台积电的第一个3nm级节点称为N3,该节点有望在今年下半年开始大批量制造 (HVM),实际芯片将于2023年初交付给客户。N3主要针对早期采用者(如苹果等),他们可以用于领先的设计,从前沿节点提供的性能、功率和面积(PPA)中受益。正因为N3是为特定类型应用量身定制的,因此工艺窗口相对较窄。

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· N3的升级版N3E和N5相比,则有同速率下有34%的功耗升级,或是同功耗下有18%的效能提升,并将逻辑晶体管密度提高1.6倍。总的来说,N3E看起来是比N3更通用的节点,N3E的风险生产将2022年第二季度或第三季度开始,HVM将在2023年中期开始。因此,预计商业N3E芯片将在2023年底或2024年初上市。

· N3的改进并不止于N3E。台积电将在2024年左右的某个时间推出N3P,这是其制造工艺的性能增强版本;对于那些无论成本都需要超高性能的客户将提供N3X,目前没有有关该节点的详细信息,只知道它将支持高驱动电流和电压,本质上是N4X的意识形态接班人。

所有台积电N3制程节点都将支持FINFLEX,这是台积电的“秘密武器”功能,极大地增强了他们的设计灵活性,并允许芯片设计人员精确优化性能、功耗和成本。

使用FINFLEX技术让FinFET的灵活性更接近基于纳米片的GAAFET的灵活性,后者将提供可调节的通道宽度,以获得更高的性能或降低功耗。FINFLEX技术扩展了工艺的性能、功率和密度范围,允许芯片设计人员使用相同的设计工具集为同一芯片上的每个关键功能块选择最佳选项。

此外,台积电通过与EDA合作伙伴密切合作,让客户能够通过使用相同的工具集,在产品中充分利用FINFLEX技术。

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有外媒在报道中表示,台积电3nm工艺试产进展顺利,量产初期的月产能预计将超过2.5万片晶圆。而对于台积电3nm制程工艺的盈利,预计至少在出货3亿颗芯片之后才能盈利。

考虑到台积电有庞大的客户群体,仅大客户苹果一家的A系列处理器,近几年每年的需求都在2亿颗之上,他们3nm工艺所代工芯片的出货量,预计很快就会超过3亿颗,实现盈利。

对于3nm工艺的客户,台积电CEO魏哲家在今年一季度的财报分析师电话会议上曾透露,他们持续看到高水平的客户对他们的这一制程工艺有兴趣,预计量产后第一年的投片量,将高于同期7nm和5nm制程工艺。

3nm工艺良率仍远低于目标

全球前十大晶圆代工厂2021年第四季度产值合计达295.47亿美元,连续十个季度创下新高。根据市场研究公司TrendForce的数据,在2021年第四季度的市场份额为18.3%,比上一季度的17.2%增长了1.1个百分点;台积电的份额下滑1.0个百分点至52.1%。两家公司市场份额差距缩小2.1个百分点至33.8%。

是前五大晶圆代工大厂中,唯一一家在去年Q4市占率扩大的厂商,主要是因为先进的5nm/4nm制程产能逐渐完成、大客户高通旗舰产品开始量产,推升三星晶圆代工在去年第四季度营收至55.44亿美元。

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作为当前全球芯片代工市场的“老二”,三星一直希望能在晶圆代工领域超车“老大”台积电。但由于双方均持续投入,竞争格局近年来并无明显变化,台积电目前仍占据着全球过半份额。

为了赶超对手,三星电子不得不从制程方面下手,希望通过领先台积电量产更先进的制程,来争夺更多的客户。

三星3nm制程研发规划分为2个阶段:第一代的3GAE(GAA-Early)与第二代3GAP(GAA-Plus)。三星计划在今年上半年将投产3GAE用于自研芯片的制造,并于2023年推出3GAP技术。

不过,有分析师指出三星的3nm制程所能达到的晶体管密度,最终可能与英特尔的Intel 4(改名前为英特尔7nm制程),或者与台积电的5nm家族当中的4nm制程相当,但是频宽与漏电控制表现会更好,将带来更优异的能耗表现。

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三星如果能确保以GAA技术为基础的3nm制程良率,就有可能成为代工市场的“游戏规则改变者”。然而,三星电子在3nm工艺上遇到了障碍,由于产出率低,一直推迟正式量产的公布。

就在李在镕动身启程欧洲的前一个月,三星对旗下晶圆代工厂发起了一轮内部审核,调查用于提升良率的资金是否有所落实,因为目前试生产的3nm芯片良率已经低到“让高层难以置信”,有报道称三星的晶圆代工部门3nm制程的芯片良率目前只能维持在10%-20%之间。

相比之下,台积电4nm制程的良率已经可以达到70%,而三星4nm工艺的良率仅为30%-35%之间,如此低效的质量控制也让高通在在骁龙8+ Gen1发布之前,紧急由三星转单交给台积电来代工生产。

三星希望尽快量产3nm制程芯片,以争取AMD和高通的订单。自2017年三星将晶圆代工业务独立后,已从最早的30家客户成长到100家以上。据悉,三星的目标是到2026年,客户数量达到300家以上,而台积电2022年的客户数量预计将超过500家。

目前,三星正在“抢购”更多的EUV光刻机。据统计,截止到2020年,台积电的EUV光刻机数量约40台,三星则是18台左右,不到台积电的一半。预计2022年三星会购入大概18台EUV光刻机,努力拉近与台积电之间的数量差距。

预计未来三年累计资本支出将占其营收的70%左右,而台积电大概会在50%。三星确认了美国泰勒和南韩本地新晶圆厂的扩产投资,并坦言由于先进制程量产爬坡延迟导致成本增加,获利能力将略有下降。

代工厂的“3nm之战”

根据TrendForce预测,2022年全球代工市场预计将增长20%,达到1287.84亿美元。对晶圆制造厂来说,眼下更重要的是3nm的突破。毫无疑问,在3nm这个节点,目前能一决雌雄的只有台积电和三星,虽然英特尔也在往先进制程方面发力,但相比台积电和三星的进度还是有不小的差距。

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不仅三星3nm制程的最大变量是良率,与三星相同,台积电也难确保3nm预期良率,多次修改技术路线:推迟原本计划7月开始为英特尔和苹果量产的3nm芯片;英伟达支付高达90亿美元预付款,计划使用台积电3nm生产今年发布的GeForce RTX40系列GPU,但良率问题,GeForce RTX40系列GPU最后采用5nm而非3nm。

同时,有报道高通已将其3nm AP处理器的代工订单交给台积电,但三星3nm客户仍成谜。

这或许是三星最不愿意看到的一幕,在痛失高通的8+Gen1订单后,3nm先进制程芯片的这场战争,他们没有退路。

除了大幅提高的资金投入外,三星几乎是以一种“毕其功于一役”的姿态去发展3nm制程芯片,相比于过于行业内早已轻车熟路的FinFET工艺,改用GAA工艺,而GAA工艺在业内还未有成功开发的先例。

虽然GAA取代FinFET已成业内共识,但现阶段影响其量产普及的因素还有不少,复杂的制造流程、良品率、成本难以控制等等仍是阻碍。

再有就是和台积电在产能上的差距。由于台积电具备动态调配生产线能力,其产能利用率甚至可以提高到110%-120%,这是三星完全无法企及的,更何况三星的逻辑芯片产能中约有一半自用,而台积电作为纯晶圆代工厂,集团内的其他业务根本不需要占据芯片产能。

对于台积电而言,3nm制程芯片同样是关键一役,因为台积电仍然坚持使用更加成熟且传统的FinFET工艺,如何在3nm制程的节点下,打破物理意义的工艺上限,这是摆在台积电面前的一道难题。

三星的这次技术整改颇有几分“推倒重建”的意味。实际上,当下这场从FinFET到GAA的工艺变革就是三星弯道超车的最佳机会。在第一款商用3nm芯片落地之前,没人能给出答案,但这也是三星最大的底气。

实际上,这场“代工双雄”之间的竞争没有谁会输的彻底,因为这个行业中的绝大部分厂商已经完全告别了先进制程的竞赛,比如过去耳熟能详的格罗方德和联华电子,眼下都只能靠着28nm制程产品线去维持市场,“摩尔定律”在这些公司身上已基本失效。

随着双寡头拉起的3nm制程竞赛,未来行业内的晶圆代工订单势必将向这两家公司进一步集中,由于半导体行业极度依赖规模效应,未来晶圆代工这个行业也很难再有新的挑战者出现。



关键词: 3nm 三星 台积电

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