三星在先进工艺上一直落后于台积电,为弯道超车并决意在3nm节点上转换架构,不过这并非半导体在工艺上首次改变架构设计,16nm工艺之前采用的是平面晶体管架构(Planar FET),直到16nm之后才采用现在的鳍式晶体管架构(FinFET)。

近日三星代工的首批3nm GAA工艺的芯片已经完成生产,并在韩国华城园区举行出货仪式。此次三星并未公布首批出货的3nm芯片客户名单,有传闻称,中国比特币挖矿用半导体厂商——上海盘硅半导体有限公司(PanSemi)会是首批客户之一。

半导体工艺竞争白热化,业界也在不断关注台积电的3nm工艺何时量产,虽然有传闻称台积电的3nm工艺在台湾省的新竹、南科两个园区同时量产,但台积电并未确认该消息的真实性。据悉,台积电第一代3nm工艺仍用鳍式场效应晶体管技术(简称“FinFET”),第二代3nm工艺大概在2024年投产,2nm工艺在2025年投产,如果进展顺利,1nm工艺可能要在2026年或2027年才能投产了(不过这也是后话了)。

台积电的先进工艺技术组合时间线。

摩尔定律下的架构设计挑战

业界对半导体的先进工艺进展关注不减,比如“苹果M2芯片即将采用台积电5nm工艺”、“英特尔处理器或将由台积电3nm代工”等相关消息也能看出。自1965年英特尔创办人之一的戈登.摩尔于《电子学》杂志所提出“摩尔定律”开始,半导体产业就开始为持续突破摩尔定律做技术研发。那什么是先进工艺?从过去“大哥大”到现在能通话、能上网、能影视娱乐等多功能的智能手机演进,皆因这一颗小小的芯片进化。而芯片进化又跟摩尔定律有着不可分割的关系。

所谓摩尔定律,是指晶体管持续性的朝小型化路径发展,在缩小体积的同时,集成电路上的晶体管数量以几何级数量的方式增长,随着产业发展趋势的修正,晶体管的数量也从原先预期的每年翻一倍,到每18-24个月增加一倍,性能比上一代芯片提升40%的效能,为产业带来创新。

目前市场上常见的40nm、28nm、7nm工艺的命名主要根据芯片内的“栅极”长度来定。在半导体产业中突破摩尔定律之路上,以台积电、三星、英特尔为主,其他厂商皆对外宣布将止步于成熟工艺,仅针对现有工艺技术优化,不再投入研发成本来推进先进工艺布局。

三星在先进工艺上一直落后于台积电,为弯道超车并决意在3nm节点上转换架构(相关内容参考:三星公布3纳米GAA架构工艺技术芯片),不过这并非半导体在工艺上首次改变架构设计,16nm工艺之前采用的是平面晶体管架构(Planar FET),直到16nm之后才采用现在的鳍式晶体管架构(FinFET)。

架构的存在与转变,主要在于控制芯片内电子流动的表现,但芯片尺寸越来越小后,栅极也因为不易控制造成漏电情况发生,称之为短通道效应(Short Channel Effect)。因此容易产生过多能源的消耗让终端设备表现大打折扣,在16nm工艺转换架构也是为了在逐渐微缩的芯片中持续强化电流的控制,以改善短通道效应。

三种半导体工艺架构:

一、Planar FET平面晶体管 

平面晶体管,顾名思义其栅极设计是为平面,能让栅极与通道在同个平面上保持接触,而接触的紧密程度将影响电流发生漏电的现象。当芯片设计持续微缩,通道的距离越来越短,容易造成短通道效应。过去半导体业界会以Doping(参杂半导体)的方式解决此一漏电问题,但是当工艺缩小、漏电情况也越趋严重,平面晶体管架构也面临到需要改变的时刻。

二、FinFET鳍式晶体管 

为了扩大栅极的接触面积、改善短通道效应,半导体业界将架构从平面改以垂直立体的设计,因为通道侧看就像是鱼鳍、因而有了鳍式晶体管的名号。

三、GAAFET 栅极环绕式晶体管

短通道效应依旧会受到先进工艺的持续推进而出现,再度提出了改变架构的作法。但架构的转换在工艺各个环节都有可能受到影响需要调整,半导体业界改采栅极环绕式晶体管,虽同为立体的概念、但鳍式晶体管仅有三面接触通道,闸极环绕式晶体管则是360度被包覆的环状结构,因此能更有效的提高对电路的控制与稳定性,减少短通道效应的情况发生。

先进工艺与成熟工艺各领风骚

虽然市场上对“先进工艺”和“成熟工艺”没有明确的定义分界,但以7nm 为分水岭,包括5nm、3nm以下的称为“先进工艺”,而7nm以上的包括16nm、28nm等称为“成熟工艺”。不同工艺的芯片体积不同,也决定了终端应用需求的差异。

成熟工艺并不因为先进工艺的技术领先受到排挤,而更多应用需求会考虑效能和成本优先选择成熟工艺。比如车用电子,常见的MCU基于安全、成本、效能等多方面考虑,主力采用45nm-130nm的成熟工艺;物联网、计算、数据处理芯片也无需追求更小的芯片设计,成熟工艺皆能满足。

而手机、笔记本电脑、云端数据等设备在追求体积微缩的同时,还强调效能运作的表现。尤其在5G、AI等各种应用如雨后春笋般出现,大量的数据和图像数据处理也需要更强大的芯片才能加速运算力。

但先进芯片带来的利润较高,决定了产业的未来,如台积电就是鲜明的例子,它以自身优越的工艺技术占据全球晶圆代工市场的半壁江山。在最新公布的2022年Q2业绩报告,季其度营收5341.41亿台币,同比增长约43.5%,环比增长8.8%;净利润2370亿新台币,同比增长76%,环比增长16.9%,超过市场预估2198.1亿新台币。

在工艺方面,台积电5nm工艺晶圆出货量占据公司营收的21%,7nm工艺晶圆出货量占据公司营收的30%,16nm和28nm营收占比分别为14%和10%,其先进工艺(7nm及更先进工艺)营收总占比高达到51%。

根据国际半导体产业协会SEMI最新统计,中国大陆预计在2024年底,将建立31座大型晶圆厂,主要锁定在成熟工艺上。虽然超过中国台湾同期间预定投入运作的19座,以及美国预期的12座。由于芯片制造设备的被限制,华尔街日报表示,这种情况已使一些中国大陆芯片企业调整路径,聚焦较低端芯片技术的计划。

不过,据International Business Strategies数据,预计到2030年,28nm芯片的需求将增加逾两倍至281亿美元。到了2025年,全球28nm工艺芯片40%的产能会是在中国大陆。

先进工艺和成熟工艺在不同领域各领风骚,但突破摩尔定律的限制也是为了加速产业的进步,在先进工艺演进中,需透过调整架构设计,解决随着芯片持续微缩而产生的各种挑战。

之前也有说法认为摩尔定律已经失效了,但业界为了持续突破半导体工艺技术,也在寻求其他解决方案,比如异质整合、芯片堆叠技术等先进封装技术,先进工艺的推进是引领全球产业进步的重中之重,或在更趋微缩的空间里,材料应用也将面临到新一波的革命。

本文参考自香港经济日报、SEMI、新浪科技等报道

参考:先进制程领军:全面剖析半导体产业突破摩尔定律的极限

责编:Amy.wu
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