制程突破战，求稳还是求快？

电子发烧友报道（文/周凯扬）对于芯片产业来说，制程工艺是一个大家耳熟能详的一个词。然而随着摩尔定律的限制，不少厂商都在寻找继续突破的办法。为了从22nm过渡到16nm，几乎所有从事半导体制造的领头羊企业都选择从平面晶体管转为FinFET晶体管，由平面转向立体。
 
然而目前半导体制程面临的又一大壁垒则是5nm，要突破到5nm以下，就不得不选择全新的解决思路，比如使用极紫外光刻机（EUV）等，然而不同的半导体厂商纷纷踏上了不同的罗马大路。

三星

 
三星为了化身半导体行业的领军人，去年正式发布了“2030愿景”战略，在2030年之前投资133万亿韩元（1105.1亿美元）。如今三星已在做出了一系列举措，比如开发3nm工艺、投资神经处理单元与AMD合作开发移动GPU等。三星如今已在韩国与美国建立了先进的300mm晶圆厂，在韩国和中国苏州也有测试和封装的产线。

三星在制程工艺上做到的“第一”/ 三星

 
三星将借助EUV在FinFET上实现5nm和4nm，目前三星也在加快第三个EUV节点的量产计划。而到了3nm上，三星将采用全新的GAA（环绕式栅极）结构。最典型的GAA就是纳米线，但由于纳米线的高成本，三星设计了一种全新的GAA形式MBCFET。MBCFET由多层堆叠的纳米片组成，从FinFET的横向堆叠改为垂直堆叠，兼容已有的FinFET设计。三星计划2020年提供首批3nm GAA工艺客户流片，2020年末进行试产，2021年末正式进入量产。

FinFET与MBCFET的比较 / 三星

 
在三星的规划中，14nm制程将作为低成本的首选，主要用于存储、小芯片、DDR4和PCIe 4等应用；8nm主打性价比，已经可以用于AI交互、DDR5、PCIe 5和GPU，比如英伟达最新的RTX30系列。5nm和4nm则主要用于下一代CPU、AI训练，并实现112G的SerDes速率，采用2.5D、3D TSV和FOWLP等先进封装。三星在汽车上使用的先进工艺主要是14nm与8nm，提供AEC-Q100和ASIL B/D的认证，以及MIPI、内存、PCIe、以太网和安全等应用上的关键IP，辅以低成本高性能的封装。
 

英特尔

 
英特尔的制程迭代之路就比较坎坷，不过与广大代工厂不同的是，他们并不需要保持制程优势，只要能在维持竞争力的情况下满足客户需求即可。因此Intel在14nm上徘徊了很长时间，直到2019年的处理器才开始使用10nm制程，而今年又爆出了7nm制程出现问题，产品线全面延迟，甚至解雇了芯片业务的主要负责人，甚至在考虑未来是寻求代工合作还是购买更多的7nm设备。这主要归结于EUV的使用过晚，和技术业务架构上的失误。

由FinFET转为纳米线 / Intel

 
作为最早实现FinFET的厂商之一，Intel并不想在制程上落后于人，但他们更重视于晶体管密度的提升而不是单单的制程升级。今年8月，英特尔正式公布了10nm下的SuperFin技术，用于下一代Tiger Lake芯片中，并保证其功耗效率可以与台积电的7nm相抗衡。在今年的第三季度财报会议上，Intel CEO司瑞博提到他们已经找到了7nm工艺问题的根源，部署了解决方案，取得了惊人的进展。此外，Intel在今年提出未来五年内将采用GAA结构，但他们所用的正是三星所抛弃的纳米线。从Intel的路线图来看，GAA结构也许会用于5nm制程工艺中。
 

台积电

台积电的制程工艺发展 / 台积电

 
台积电目前5nm制程已经实现量产，专门针对移动应用以及高效能运算应用开发。该制程为台积电第二代运用极紫外（EUV）技术的制程，早在去年3月就已经进入了试产阶段，于今年开始量产。目前苹果的A14芯片以及华为海思的麒麟9000系列芯片都采用了台积电的5nm制程，未来AMD的Zen 4 CPU也将使用这一技术。此外台积电预计5nm推出一年后，将推出5nm FinFet强化版制程技术N5P，提升5%的性能，降低10%的功耗。

台积电主要制程的PPA公开数据对比 / 数据来源：台积电

 
而5nm之后，台积电打算先推出N4制程，通过进一步部署EUV层来减少光罩，并将芯片设计者的移植工作量减少到最小。台积电预计N4的试产将于2021年第四季度开始，量产则要等到2022下半年，因此我们也许只能在2023年才得以看到4nm芯片登场。而在3nm节点上，台积电并不打算采用GAA结构，而是继续维持在FinFET。台积电强调，他们对现有的FinFET技术打造了显著的升级，使其能够达到下一代的性能表现。台积电还提到了FinFET的可预见性能使他们在批准时间线内成功交付该制程下的产品。这句话也许才是台积电固守FinFET的根本原因，作为晶圆代工厂，满足客户的交期才是最关键的目标。而GAA这种先进结构，未知性太大，一旦产量和良率无法保证，将对公司造成巨大的打击。
 

中芯国际

 
中芯国际目前第一代14nm的FinFET已经取得了突破，并在2019年第四季度进入了量产阶段，也是目前大陆自主研发集成电路的最高制程水平。尽管中国大陆的制程工艺比较落后，但中芯国际在更先进制程上的研发早就开始了。中芯国际从28nm直接进入14nm，跳过了20nm的节点，未来也很有很可能直接实现制程飞跃。
 
2017年底，中芯国际就已经开始投入研发资金开发7nm工艺。中芯国际的N+1与N+2制程并没有宣称是7nm，也不会采用EUV工艺。只有等到设备就绪后，N+2后的制程将使用EUV进一步推进制程迭代。今年10月11日，主营业务为IP和定制芯片的芯动科技宣布已经完成了基于中芯国际FinFET N+1工艺的芯片流片和测试。据高盛预测，中芯国际在2022年可以成功过渡到7nm工艺，2024年下半年将可以实现5nm工艺。
 
从几大公司的研发投入来看，制程突破不仅耗时，而且耗财。像英特尔这样的IDM芯片厂商，出现制程问题后，都触发了一系列负面影响，更不用说其他代工厂了。与此同时，芯片制程的迭代不代表对过去技术的完全抛弃，最新的制程仍将是高性能的代名词，也是AI、5G、自动驾驶等技术的陪绑宣传，但其余制程下的产品仍将在各个应用领域中生根发芽，这也是为什么台积电还在推出N12e新制程的原因。国内虽然起步较晚，但是随着制程工艺的推进愈发困难，相信未来很快就会迎头赶上。

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