竞争加剧,台积电未雨绸缪

不过,虽然在同一年内实现量产,但市场反响有很大差别,特别是在客户方面,业界普遍不看好三星。

三星未公布首发客户和产能规划情况,但有报道称其3NM客户包括中国虚拟货币挖矿机芯片厂PANSEMI和手机芯片大厂高通,但高通会视情况进行投片。

虽然业界普遍看好台积电,但就今年而言,确定采用该公司3NM制程量产芯片的也只有苹果,其它公司大多要等到2024年,这样一来,三星似乎还是有较多时间去争取客户的,相对于在7NM、5NM量产时的客户争夺战而言,三星在3NM处的操作空间或许更大一些。

N3将在今年下半年量产,主要用于生产苹果的手机和平板电脑处理器,不过,N3是为特定类型应用量身定制的,它具有相对较窄的工艺窗口,在良率方面并不适合所有应用。N3E则解决了这个问题,它提高了性能,降低了功耗,并增加了工艺窗口,从而提高了产量,但N3E的逻辑密度略有降低,与N5相比,N3E的功耗(在相同的性能和复杂性下)将降低34%或性能提高18%(在相同的功耗和复杂性下),并将逻辑晶体管密度提高1.6倍。总的来说,N3E比N3更通用。N3E的风险生产在2022年第二或第三季度开始,量产时间定于2023年中期,预计商用N3E制程芯片将在2023年底或2024年初上市。

N3E之后,台积电将在2024年推出N3P和N3S,该公司没有透露与N3相比,这些增强版本将提供哪些改进。

对于那些无论功耗和成本如何都要超高性能的客户,台积电将提供N3X,除了支持高驱动电流和电压,该公司没有透露该节点的细节。

针对N3,台积电推出了FINFLEX技术。FINFLEX允许芯片设计人员精确定制其构建模块,以实现更高的性能、更高的密度和更低的功耗。基于FINFET工艺,芯片设计人员可以在使用不同晶体管的不同库之间进行选择,当开发人员需要以牺牲性能为代价来最小化芯片尺寸并节省功耗时,他们使用双栅极单翅片鳍式FET(见下图)。但是,当他们需要在芯片尺寸和更高功耗的权衡下最大限度地提高性能时,他们会使用三栅极双翅片晶体管,当开发人员需要更平衡的参数时,他们可以使用双栅极双翅片鳍式FET。

目前,芯片设计人员必须使用一种晶体管类型,例如,CPU内核可以使用3-2个FINFET来实现(如上图所示),以使其运行得更快,或者使用2-1个FINFET来降低其功耗和占用空间,但它并不是所有情况的理想选择,特别是3NM节点,使用起来会比现有技术更昂贵。

FINFLEX技术允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的FINFET,以精确定制性能、功耗和面积。对于像CPU内核这样的复杂结构,这种优化可以提高内核性能,同时优化芯片尺寸。FINFLEX是优化N3节点性能、功耗和成本的好方法,这项技术使FINFET的灵活性更接近于基于纳米片的GAAFET,后者可提供可调节的通道宽度,以获得更高的性能或更低的功耗。

三星方面,不同于台积电FINFET架构,该公司的3NM制程采用多桥通道场效晶体管(MBCFET)的GAAFET专利技术,能以更高效能和更小芯片尺寸来实现更佳的功耗表现。

三星3NM制程工艺分为两代,目前量产的是3NM GAE,与5NM制程相比,降低了45%的功耗,减少16%的面积,提升了23%的性能。第二代3NM GAP工艺可以降低50%的功耗,提升30%的性能,面积减少35%,效果更好,预计2024年量产。

三星在2021年晶圆代工论坛中指出,与5NM制程相比,采用GAAFET架构的3NM制程在功耗、性能和面积(PPA)方面所达到的优化效益,与其第二代3NM制程相同。业界认为,三星量产的第一代3NM应该未达到预期的制程微缩目标,2023年量产的第二代3NM工艺才能算是真正的完整版本。

与7NM、5NM相比,建设3NM制程晶圆厂所需的资金投入量更大,这方面,也只有三星、台积电和英特尔这三家厂商能够应付得了。

三星方面,2020年初,该公司就开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产,成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯EUV生产线。而该工厂也是三星3NM制程的主阵地。V1晶圆厂位于韩国华城、毗邻 S3。三星于2018年2月开始建造V1,并于2019 下半年开始芯片的测试生产。过去两年里,该公司一直在扩大V1晶圆厂的产能规模,为3NM量产做准备。

要想实现3NM制程量产,巨额投入是必不可少的,特别是购买相关设备的资金量巨大,即使是台积电这样的厂商也不得不精打细算。

另外,台积电有望启动EUV持续改善计划(CIP),目的是增加芯片尺寸的同时,减少EUV光罩使用道数。以ASML的NXE:3600D为例,其价格高达1.4~1.5亿美元,每小时可处理160片12英寸晶圆,4NM制程上,EUV光罩大约在14层之内,而3NM制程将达到25层,导致成本暴增。

除了制造,3NM芯片封装也是一大挑战,届时,3D封装技术将全面导入量产,同时,随着3NM制程技术和成本的增加,CHIPLET堆叠和封装技术也将大面积铺开。这些都使得台积电需要投入更多的资源和精力。

正是因为存在这样的状况和趋势,需要更多的合作。有媒体报道,台积电已将2.5D封装技术COWOS(CHIP ON WAFER ON SUBSTRATE)业务的部分流程(ON SUBSTRATE,简称OS)外包给了OSAT厂商,主要集中在小批量定制产品方面。而类似的合作模式预计将在未来的3D IC封装中继续存在。

3NM制程的复杂度比7NM和5NM更高,且对资金、人力等各种资源的要求更高,当下,也只有三星和台积电能够延续这一游戏。

然而,三星的良率问题一直困扰着它,这也是之前7NM、5NM制程一直被台积电压制的主要原因,争取在良率方面有质的飞跃,从而赢得更多客户的信心是三星必须解决的问题。

而面对三星的追赶,台积电也是压力山大,不进则退,该公司每年都在增加资本支出,其中一大部分都是用于最先进制程工艺的研发和晶圆厂建设。不过,这样的高投入是否能够长期延续下去,还要画一个问号。未来,在投入新技术研发和成本控制之间的平衡,或许会成为一个越来越重要的课题。