近日，一則訊息十分引人關注。高通最新發布旗下第三代5G基帶晶片驍龍X60。該晶片將採用三星5奈米工藝進行代工生產。這使得三星在與臺積電的代工大戰中，搶下一個重要客戶的訂單，同時也將摩爾定律推進到5奈米節點。2020年之初，全球半導體龍頭大廠在先進工藝競爭上的火藥味就已經十分濃重。
“3+1”的參與者
5G的落地、人工智慧的發展，無不需要應用到半導體晶片。這在提升市場規模的同時，也對半導體技術提出了更大挑戰。半導體制造企業不得不朝著更加尖端的工藝節點7nm/5nm/3nm演進。事實上，沿著摩爾定律能夠持續跟進半導體工藝尺寸微縮的廠家數量已經越來越少，在這個領域競爭的廠商主要就是三星、臺積電和英特爾三家。此外，中國大陸晶圓代工廠中芯國際也在推進當中。因此，參與先進工藝之爭的也就只有這樣“三大一小”幾家公司。
先進工藝開發量產的成功與否對於半導體巨頭來說意義十分重大。臺積電2019年第四季度財報實現營收3170億元新臺幣。按工藝水平劃分，7nm工藝技術段佔公司收入的35％，10nm為1％，16nm為20％，合計16nm及以下先進工藝產品收入已經佔到56％。臺積電CEO魏哲家表示，採用先進工藝的5G和HPC是臺積電的長期主要增長動力，並預計2020年5G智慧手機在整個智慧手機市場的普及率為10％左右。
正因如此，半導體龍頭大廠無不極為重視先進工藝的投資與開發。2月20日，三星宣佈南韓華城工業園一條專司EUV（極紫外光刻）技術的晶圓代工生產線V1實現量產。據了解，V1生產線於2018年2月動工，2019年下半年開始測試晶圓生產，首批產品今年第一季度向客戶交付。目前，V1已經投入7nm和6nm EUV移動晶片的生產工作，規劃未來可以生產3nm的產品。三星製造業務QuattroporteES Jung稱，V1產線將和S3生產線一道，幫助公司拓展客戶，響應市場需求。
臺積電對先進工藝的開發同樣重視。在2020年1月召開的法說會上，臺積電表示將增加2020年的資本支出，從原訂的110億美元，上修至140億美元～150億美元，其中80% 將投入先進工藝產能的擴增，包括7nm、5nm及3nm等。而日前業內也傳出“英特爾將提前進行7nm投資”的訊息，英特爾2020年的裝置投資計劃，不僅要增加現有14/10nm工藝的產能，還要對7/5nm工藝進行投資。在2019年財報中，英特爾表示2020年計劃的資本支出約為170億美元。
根據中芯國際財報，2019年第四季度14nm工藝已經量產，並帶來了768萬美元的營收。在該次財報會議上，中芯國際聯席CEO梁孟鬆也首次公開了中芯國際的N+1、N+2工藝的情況。中芯國際的N+1工藝和現有的14nm工藝相比，效能提升了20%，功耗降低了57%，邏輯面積縮小了63%，SoC面積減少了55%。
5nm/6nm將成今年競爭焦點
如果說2019年先進工藝的競爭重點是7nm+EUV光刻工藝，那麼2020年焦點將轉到5nm節點上。在高通釋出X60基帶晶片之後，路透社便援引兩名知情人士訊息報道，三星的半導體制造部門贏得了高通的最新合同，將使用5nm工藝技術生產新發布的晶片。對此，有業內人士指出，三星EUV產線的投產以及成功交付高通全球首個5奈米產品驍龍X60基帶晶片，都將給臺積電帶來一定壓力。
此前三星在先進工藝方面與臺積電的競爭並不順利。2018年三星選擇了跳過LPE低功耗階段，直接進入7nm EUV的大膽策略，意圖在工藝技術上搶佔先機，但是新工藝的良品率一直不高，使得大膽策略沒有奏效。而臺積電仍採用傳統多次曝光技術，先行佔領市場，取得了幾乎100%的7nm市場。不過三星顯然並沒有放棄對先進工藝市場的開發與爭奪。2020年三星再次將重點轉移到5nm之上，顯然是有意再次向臺積電發起挑戰。在1月份的投資者電話會議上，當被問及三星將如何與臺積電競爭時，三星晶圓高階副QuattroporteShawn Han表示，公司計劃通過“多元化客戶應用”來擴大5nm晶片產量。按照三星此前釋出的工藝規劃，5nm工藝在2019年4月份開發完成，下半年實現首次流片，在2020年實現量產。
臺積電對於5nm也同樣重視。根據臺積電此前的披露，5nm工藝2019年上半年匯入試產，2020年上半年實現量產。臺積電5nm投資250億美元，月產能5萬片，之後再擴充至7萬～8萬片。根據裝置廠商訊息，下半年臺積電5nm接單已滿，除蘋果新一代A14應用處理器外，還包括華為海思新款麒麟晶片等。即使是三星已經拿下高通5nm訂單，也不代表臺積電就會失去高通的訂單。事實上，高通一直以來就是把晶圓代工訂單交由臺積電和三星等多家廠商生產的。此外，臺積電還規劃了一個5nm工藝的加強版，有點像7nm節點的N7+。資料顯示，5nm加強版在恆定功率下可提高7%的效能，降低15%的功率。預計該工藝平臺將在2021年量產。
6nm是今年競爭的另一個重點。紫光展銳最新發布的5G晶片虎賁T7520就採用了臺積電的6nm工藝，相較7nm工藝，電晶體密度提升18%，功耗下降8%。根據臺積電中國區業務發展副總經理陳平的介紹，6nm是7nm的延伸和擴充套件。臺積電於2018年量產7nm工藝。2019年量產7nm+EUV的升級版，在晶片的部分關鍵層生產中匯入EUV裝置，從而減少光罩的採用，降低成本，提高製造效率。6nm工藝平臺則是7nm工藝的另一個升級版。由於它可以利用7nm的全部IP，此前採用7nm的客戶可以更加便捷地匯入，在提高產品效能的同時兼顧了成本。
3nm走向值得關注
3nm有可能是半導體大廠間先進工藝之爭的下一個重要節點。半導體專家莫大康指出，真正發生重大變革的是3nm，因為從3nm開始半導體廠商會放棄FinFET架構轉向GAA電晶體。
莫大康表示，市場預測5nm可能與10nm相同，是一個過渡節點，未來將迅速轉向3nm。但是3nm節點現在半導體公司採用的FinFET架構已不再適用，需要探索新的工藝架構。
也就是說，在這個技術岔道口，三星有可能對臺積電發起更強力的挑戰。三星在“2019三星代工論壇”（Samsung Foundry Forum 2019）上，曾釋出新一代閘極環柵（GAA，Gate-All-Around）工藝。因此，外界預計三星將在3nm節點使用GAA環柵架構工藝。三星電子的半導體部門表示，基於GAA工藝的3nm芯片面積可以比最近完成開發的5奈米產品面積縮小35%以上，耗電量減少50%，處理速度可提高30%左右。
臺積電則在2018年宣佈投資6000億元新臺幣，興建3nm工廠，計劃在2020年動工，最快於2022年年底開始量產。在2019年第一季度的財報法說會上，臺積電曾披露其3nm技術已經進入全面開發階段。不過到目前為止，臺積電仍未公開其3nm節點的工藝路線。外界估計，臺積電有可能要在今年4月29日舉行的“北美技術論壇”上才會公佈3nm的細節。屆時，臺積電與三星的3nm工藝之爭將會進入一個新的階段。