3nm量產“意外”延期的背後 代工雙雄在與時間賽跑

為爭奪晶圓代工頭把交椅的競賽已趨白熱化,台積電和三星都不惜撒下重金來獲得工藝上的領先。但是,在雙方全力爭奪的3nm工藝節點開發上,近期卻相繼有開發遇阻的消息傳來。在先進工藝已逼近物理極限之時,每進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,還是與時間的一場賽跑。

3nm量產“意外”延期的背後 代工雙雄在與時間賽跑

與時間賽跑

蘋果iPhone下一代的處理器無法採用台積電的3nm(N3)工藝了。這是台積電近期正式確認的消息,N3工藝的量產將會延遲3到4個月。而據相關媒體報道,三星的3nm開發也遇到了問題,其GAA工藝仍面臨著漏電等關鍵技術問題。

按照之前的規劃,台積電的3nm工藝將在2022年第三季度實現量產。3nm的具體量產時間是與客戶共同協商決定的,台積電總裁魏哲家此前這樣表示。蘋果是台積電3nm工藝的首批客戶,後有傳聞英特爾也成為了嘗鮮者,其GPU和服務器芯片將採用3nm工藝。不過,這一傳聞在英特爾架構日上被破除,N5和N6將是台積電為其代工的首要工藝。

這一選擇不能直接說明N3工藝的進展問題,但結合工藝進展延遲的消息,多少還是讓人意外的。畢竟在4月15日的法說會上,台積電還表示N3已經提前至3月開始風險行試生產,並小量交貨,進度優與原先預期。

局外人很難知道延遲的真正原因,可以看到的是工藝進展的不易。業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、互連金屬等,出現工藝延遲正常,要摸索工藝,需要通過更多的硅片生產來積累經驗。”

3nm量產“意外”延期的背後 代工雙雄在與時間賽跑

圖 台積電的工藝進展

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物理設計套件標準,預計3nm GAA工藝會在2020年底試產,2021年實現量產。目前看來,這一目標是遠不能達成了。按照三星在今年6月完成3nm芯片Tapeout(流片)的進度來看,2022年將是其量產的初步時間。

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圖 三星的工藝進展

不過一些英文媒體不看好三星能在2023年之前實現量產,依據就是疫情導致3nm工藝所需的極紫外光刻機(EUV)和其他關鍵生產設備的交付延期,進而推遲了量產的時間。

三星當初選擇GAA工藝,就是因為想通過提前布局,在3nm節點實現彎道超車。三星的3nm GAA工藝分為 3GAAE / GAAP (3nm Gate- AlI-Around Early/Plus) 兩個階段,被業界認為真正成熟的將是GAAP工藝,GAAE將可能只是用於自己的芯片上。

與之相比,台積電繼續在3nm節點選擇FinFET工藝,則是考慮到可以繼續挖掘現有工藝的優勢,在三星之前實現量產。有業內人士就指出,台積電在GAA架構的開發上落後三星12至18個月,因而積極推進的3nm FinFET策略可以彌補這一劣勢。

因此,三星的3nm工藝如果不能在2023年之前實現量產獲得客戶訂單,那麼將在代工領域處於不利地位。同理,台積電如果不能在時間上取得領先,也將面臨被動的局面。

對於雙方來說,都是一場與時間的賽跑。

要跨越技術鴻溝

3nm工藝的量產實現就像跨越鴻溝一樣。就以光刻為例,晶圓代工廠希望儘可能地實現EUV單次曝光,因為這將可以簡化工藝。然而,EUV單次曝光實現的間距極限是32nm到30nm 間,對應着5nm左右的工藝節點。要進展到3nm工藝,芯片製造商就要尋找新的方案。第一個選擇就是EUV雙曝光,第二選擇是開發高數值孔徑(NA)EUV 掃描儀,這是一個全新的系統。ASML的高數值孔徑EUV系統採用新的0.55數值孔徑透鏡,分辨率提升了70%,仍在研發階段。

高NA EUV系統複雜且昂貴,並且給晶圓廠中引入很多風險。此外,該系統不會為2022年的3nm初始階段做好準備。根據最新的消息,這種新光刻機要在2025-2026年之間才能規模應用。因此,晶圓代工廠可能別無選擇,只能採用EUV雙曝光的方法。在雙曝光方案中,芯片分割在兩個掩模上並打印在晶圓上,既增加成本又會影響良率。

這還僅是開發3nm所面對的共同挑戰,考慮到台積電和三星所採取的不同工藝路徑,其各自都將面對不同的障礙。

台積電要將FinFET工藝從5nm遷移到3nm,就在理論上挑戰了FinFET工藝的極限。在進入3nm之後,FinFET晶體管的鰭片難以在本身材料內部應力的作用下維持直立形態,尤其是在能量更高的EUV製程導入之後,這樣的狀況會更為嚴重。三星面臨的困難也不少, GAA則是全新的架構,器件參數的不確定性會更大,很多影響將難以預估。

技術挑戰之外,3nm工藝還將面對巨大的成本壓力。IBS Research 2019 年的一份報告預測,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,10億個晶體管部分的單個晶體管部分將達到2.16美元,低於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,由於3nm預計將採用25層EUV光罩,因為代工價格將可能達到30,000美元。考慮到不是每個客戶都能承受,因此台積電正評估啟動持續改善計劃(Coutinuous Improvement Plan),推出改款版3nm,通過減少EUV光罩層數、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1,077 億美元。台積電也將資本支出以一調再調,由原來的250-280億美元調整到300億美元,其中80%將用於3nm、5nm等先進製程。

好在憑藉多年形成的口碑,台積電的3nm沒有量產卻已經訂單排滿,蘋果、AMD都先後預約了明後年的產能。按照台積電的說法,HPC的潛在客戶和智能手機領域對N3的興趣都很大。此前的規劃中,3nm正式量產時的初期月產能為5.5萬片,2023年月產能可達10.5萬片。如果這些產能都被預定一空,台積電將在3nm代工市場再次擁有領先優勢。

不過,三星的情況也稍顯特殊。與專心做代工業務的台積電不同,三星是一個IDM公司,其總產能多為自己使用。2020年,三星將其晶圓代工廠產的60%用於內部使用,主要用於智能手機的Exynos芯片。其餘產能來自非專屬客戶,高通佔20%,其餘20%來自Nvidia,IBM和英特爾。如果3nm工藝實現量產,靠其內部還是能消化很大一部分產能的。現在唯一要注意的就是不能再出現失誤,拖延量產進度。

不過,3nm工藝進展表面是兩強的競爭,實則是整個產業鏈的跟進。正如莫大康所指出,3nm是一個焦點,不能僅靠台積電、三星的推進,最終還要看製造商和設備商等產業鏈各個環節的努力。

(校對/艾禾)

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上一篇 2021-09-03 14:50
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