芯片代工決戰先進(jìn)制程，臺積電2納米為何一馬當先？

近日，有消息稱(chēng)，臺積電在2納米先進(jìn)制程研發(fā)上取得重大突破，已成功找到路徑，將切入環(huán)繞式柵極技術(shù)(gate-all-around,簡(jiǎn)稱(chēng)GAA)技術(shù)。

利用成熟的特色工藝追求更先進(jìn)的制程，一直是臺積電和三星等芯片廠(chǎng)商致力的方向。此前，三星表示將在3納米率先導入GAA技術(shù)，表達了其取得全球芯片代工龍頭地位的野心。此次臺積電在2納米制程研發(fā)上取得重大突破，凸顯了其強大的研發(fā)實(shí)力，也讓兩大芯片代工巨頭的競爭加劇。

臺積電、三星角逐更先進(jìn)制程

摩爾定律誕生之后，芯片的尺寸越來(lái)越小，企業(yè)不斷摸索新的工藝和材料發(fā)展半導體產(chǎn)品、改進(jìn)性能。半導體行業(yè)專(zhuān)家莫大康告訴《中國電子報》記者，目前半導體行業(yè)的主要發(fā)展路線(xiàn)是尺寸的不斷縮小。尺寸的縮小能夠帶來(lái)集成度的提升，增強產(chǎn)品的性能，也能夠降低產(chǎn)品的成本。

臺積電和三星是芯片代工領(lǐng)域的佼佼者。據集邦咨詢(xún)數據，今年第二季度，臺積電拿下了51.5%的芯片代工份額，高居榜首，三星則以約19%的份額緊隨其后。中國電子專(zhuān)用設備協(xié)會(huì )秘書(shū)長(cháng)金存忠指出，臺積電在7納米量產(chǎn)的時(shí)程上領(lǐng)先于三星。對此，復旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長(cháng)周鵬給出了更具體的信息：臺積電早于2018年4月宣布實(shí)現7納米制程量產(chǎn)，獲得了蘋(píng)果、華為海思、AMD、高通等客戶(hù)的大量7納米訂單。而三星在2018年10月宣布其7納米工藝實(shí)現量產(chǎn)，時(shí)程的落后導致大量客戶(hù)訂單流失。

在先進(jìn)制程領(lǐng)域，臺積電和三星不斷展開(kāi)“角逐”。以5納米制程為例，臺積電拿下了今年下半年蘋(píng)果即將推出的四款iPhone新機處理器的全部訂單。金存忠告訴記者，預計臺積電今年5納米可實(shí)現量產(chǎn)，但三星卻無(wú)法做到這點(diǎn)?？吹脚_積電拿下大量5納米訂單的三星果然不甘落后，宣布將此前的7納米制程芯片基地改造為5納米制程生產(chǎn)基地，為第三方廠(chǎng)家提供芯片代工服務(wù)，試圖用“急沖”5納米的方式追趕臺積電。據悉，目前三星已獲得部分高通5G芯片代工訂單，將采用5納米制程生產(chǎn)芯片。

在更先進(jìn)制程的競爭中，臺積電和三星依舊“你追我趕”。周鵬介紹，三星在更先進(jìn)制程的研發(fā)上投入了大量資金，同時(shí)也對芯片工藝路線(xiàn)圖作出了調整，將跳過(guò)4納米工藝，由5納米直接上升至3納米，并在3納米工藝中率先宣布將使用GAA技術(shù)。三星還基于納米片制造出了MBCFET（多橋式-溝道場(chǎng)效應晶體管），可顯著(zhù)增強晶體管性能，以取代FinFET晶體管技術(shù)。

莫大康告訴記者，盡管臺積電在GAA架構的開(kāi)發(fā)時(shí)程上落后于三星，但臺積電計劃在3納米制程中仍采用FinFET技術(shù)，減少生產(chǎn)工具的變更能保持其成本結構的穩定，同時(shí)也能減少客戶(hù)的設計變更，降低其生產(chǎn)成本，或會(huì )產(chǎn)生更好的效果。周鵬表示，臺積電多年前已開(kāi)始謀劃3納米工藝，計劃于2021年實(shí)現量產(chǎn)。在下一個(gè)節點(diǎn)2納米上，臺積電似乎領(lǐng)先一步，此次他們在2納米先進(jìn)制程研發(fā)上取得的重大突破已說(shuō)明了這點(diǎn)。據悉，臺積電宣布在中國臺灣的南方科技園建廠(chǎng)，啟動(dòng)2納米工藝的研發(fā)工作，預計最快在2024年投產(chǎn)。而三星在2納米制程的研發(fā)上鮮有消息對外披露。

臺積電因何能在更先進(jìn)制程“一馬當先”？

在摩爾定律的“指揮棒”下，晶圓代工更先進(jìn)制程的競爭激烈程度愈演愈烈。周鵬告訴記者，在先進(jìn)制程方面，三大芯片代工巨頭臺積電、三星和英特爾處于第一陣營(yíng)。英特爾有計劃在2021年推出7納米（相當于5納米），但目前仍主要堅守在10納米節點(diǎn)，希望將10納米做到“極致”，因此7納米及以下工藝節點(diǎn)的戰場(chǎng)就只剩下臺積電和三星，呈現絕對的寡頭競爭格局。本次臺積電在2納米先進(jìn)制程研發(fā)上有了重大突破，意味著(zhù)臺積電在更先進(jìn)制程方面暫時(shí)處于領(lǐng)先地位。那么，臺積電因何能在更先進(jìn)制程上“一馬當先”呢？

莫大康介紹，其實(shí)臺積電并不是“一個(gè)人在戰斗”，臺積電能夠“超前”在2納米技術(shù)上獲得突破，得益于其背后有著(zhù)龐大的群體在支持。據悉，臺積電始終強調，在做代工的同時(shí)時(shí)刻保持中立態(tài)度，不會(huì )與客戶(hù)爭搶訂單，同時(shí)也能夠真正做到把客戶(hù)的利益放在第一位。因此臺積電長(cháng)期以來(lái)能夠與客戶(hù)建立良好的關(guān)系，使得與臺積電無(wú)利益沖突的客戶(hù)群（蘋(píng)果、賽靈思、英偉達等）數量非常龐大。芯片在進(jìn)入3納米制程后，現有的很多技術(shù)難以滿(mǎn)足需求，作為代工廠(chǎng)的臺積電也不例外，需要從器件的架構、工藝變異、熱效應、設備與材料等方面綜合解決。然而，由于臺積電背后擁有龐大的客戶(hù)群體在支持著(zhù)它，能夠與臺積電共同改善制程良率、降低成本，來(lái)加快量產(chǎn)速度，而這也是臺積電能夠在2納米領(lǐng)域“先發(fā)制人”的關(guān)鍵。

周鵬指出，臺積電在FinFET技術(shù)上的優(yōu)勢為臺積電在2納米先進(jìn)制程的研發(fā)提供極大助力，使其占得先機?！半S著(zhù)工藝節點(diǎn)發(fā)展到3nm后，晶體管溝道進(jìn)一步縮短，FinFET結構遭遇量子隧穿效應的限制。GAA-FET則相當于FinFET的改良版，FinFET的柵極包裹溝道3側，與FinFET控制柵極漏電流的機理類(lèi)似，GAA技術(shù)則將溝道四側全部包裹，進(jìn)一步提升柵極對溝道電流的控制能力。臺積電在FinFET技術(shù)領(lǐng)域具備深厚底蘊，這些科技積累為臺積電成功由3納米FinFET技術(shù)切換至2納米GAA技術(shù)起到了重要推動(dòng)作用，大大縮短了臺積電先進(jìn)制程技術(shù)更新迭代周期?！敝荠i對記者說(shuō)。

同時(shí)，臺積電在設備支持上也做好了準備。周鵬表示，為實(shí)現2納米先進(jìn)制程，臺積電已經(jīng)大批量訂購了ASML極紫外光刻機（EUV）設備。然而，周鵬也指出，光刻技術(shù)的精度直接決定制程的精度，對于2納米的先進(jìn)制程，高數值孔徑的EUV技術(shù)還亟待開(kāi)發(fā)，光源、掩模工具的優(yōu)化以及EUV的良率和精度都是實(shí)現更先進(jìn)制程技術(shù)突破的重要因素。

臺積電突破或刺激其他廠(chǎng)商技術(shù)升級

更先進(jìn)制程的重大技術(shù)突破會(huì )影響整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)格局。周鵬表示，雖然對制程技術(shù)的評估需要從實(shí)際晶體管的密度、性能以及功耗等多個(gè)維度進(jìn)行考量，但先進(jìn)制程重大技術(shù)的推出對于集成電路產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)格局有重大意義?！霸谙冗M(jìn)制程的研發(fā)過(guò)程中，每條技術(shù)產(chǎn)線(xiàn)成本投資都超過(guò)百億美元。更高的研發(fā)和生產(chǎn)成本，對應的是更難的技術(shù)挑戰。每當制程工藝逼近物理極限，晶體管結構、光刻、沉積、刻蝕、集成、封裝等技術(shù)的創(chuàng )新與協(xié)同配合，能對芯片性能天花板的突破起到?jīng)Q定性作用?！敝荠i對記者說(shuō)。

周鵬還告訴記者，先進(jìn)工藝節點(diǎn)的研究對于代工廠(chǎng)商以及整個(gè)半導體行業(yè)的發(fā)展都至關(guān)重要，研發(fā)的遲滯必將被其他廠(chǎng)商的先進(jìn)制程所超越甚至替代?；诖?，周鵬認為，此次臺積電在2納米制程的技術(shù)突破對三星、英特爾等龍頭企業(yè)在先進(jìn)制程領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與技術(shù)升級能起到一定刺激作用。

周鵬預測，由于臺積電3納米工藝預定在2021年量產(chǎn)，其2納米的推出可能位于2023到2024年之間。那么，如果臺積電順利推出2納米制程，這是否會(huì )使未來(lái)代工市場(chǎng)的格局發(fā)生變化？周鵬表示，2納米制程的率先推出，定然會(huì )進(jìn)一步擴大臺積電在先進(jìn)制程市場(chǎng)份額的占比，甚至可能會(huì )拉開(kāi)與三星和英特爾的差距。當然，三星和英特爾也在積極推進(jìn)研發(fā)。工藝技術(shù)的研發(fā)充滿(mǎn)變數，未來(lái)誰(shuí)能最終領(lǐng)先還需進(jìn)一步觀(guān)察。

對于代工市場(chǎng)上先進(jìn)制程的競爭，周鵬表示，這種競爭可以為整個(gè)集成電路行業(yè)和用戶(hù)帶來(lái)益處?！笆袌?chǎng)的需求驅動(dòng)著(zhù)先進(jìn)制程的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，無(wú)論未來(lái)先進(jìn)制程的引領(lǐng)者是誰(shuí)，最終受益的將是整個(gè)集成電路行業(yè)以及享用高性能電子產(chǎn)品的每一個(gè)人?！敝荠i對記者說(shuō)。