日前,台积电官方宣布,正式启动2nm工艺的研发,工厂设置在位于台湾新竹的南方科技园,预计2024年投入生产。
不过台积电方面并没有给出2nm工艺所需要的技术和材料,看晶体管结构示意图和目前并没有明显变化。但是按照台积电给出的指标,2nm工艺是一个重要节点,Metal Track(金属单元高度)和3nm一样维持在5x,同时Gate Pitch(晶体管栅极间距)缩小到30nm,Metal Pitch(金属间距)缩小到20nm。也就是说,2nm制程相比于3nm要小了23%。
能在硅半导体工艺上继续精深到如此地步堪称奇迹。当然,在量产2nm之前,台积电还要接连经历7nm+、6nm、5nm、3nm等多个工艺节点。其中,7nm+首次引入EUV极紫外光刻技术,目前已经投入量产;6nm只是7nm的一个升级版,明年第一季度试产;5nm全面导入极紫外光刻,已经开始风险性试产,明年底之前量产,苹果A14、AMD五代锐龙(Zen 4都有望采纳);3nm有望在2021年试产、2022年量产。
台积电数十年纳米工艺研发路
在半导体行业,谁能够率先突破半导体工艺制造的瓶颈,谁就能迅速占领市场。而台积电,尽管不自己设计芯片,但是却凭借着先进的制程工艺,依旧跻身于世界芯片巨头的阵营。有了先进的制程工艺,那么芯片自然就能设计的更加复杂,芯片性能得到进一步提升的同时,功耗也会更低。
不得不说,作为晶圆代工产业的开拓者,台积电变革了整个产业。
2008年台积电完成了40nm工艺产品交付,首次展示了其32nm代工技术。台积电也成为全球首个宣布28nm为全工艺节点的代工厂。
2009年,台积电实现了40nm量产和28nm的开发,并且开始在20nm上部署研发以确保代工上的领先优势。
2012年,台积电20nm FinFET产线正在建设中,已经开始接受客户20nm工艺的试产,16nm进入定义和研发阶段。
2013年,引入FinFET,开始了10nm工艺的研发。
2014年,7nm技术进入了高级开发阶段。
2016年,10nm成功量产了客户产品,7nm完成了技术认证。
2017年,台积电继续在尖端工艺技术方面取得重大进展,10nm工艺订单以创记录的方式激增,已经占据晶圆代工总收入的10%,7nm开始从研发走向了生产。
目前,最新的消息称,台积电正在冲刺5nm生产,已要求设备供应商今年10月以前将产能布建到位,预计明年首季量产,苹果将是第一个导入量产的客户。台积电确定会是全球第一个提供5nm量产服务的晶圆代工厂,台积电总裁魏哲家稍早表示,已宣布推出5nm先进制程设计套件平台,等于向全球宣示台积电在5nm晶圆代工领先全球,未来在3nm也将维持领先。
芯片巨头攻占市场,纳米工艺或是最终王牌
在半导体领域,制程工艺并不是衡量技术的唯一标准,而是以半导体内每平方毫米的晶体管数量为准。
虽然目前台积电和三星均已成功研制出了7nm工艺,但其内晶体管密集程度并不如英特尔的10nm工艺,英特尔的10nm工艺每平方毫米可容纳100.8MTr,而台积电的7nm工艺每平方毫米只可容纳96.5MTr,相较于英特尔的制造工艺来讲还有一定的差距。截至2019年1月,英特尔的10nm技术依然领先于台积电和三星的7nm技术。
但由于英特尔的10nm还没有大规模生产,显然台积电的7nm是目前市场上的大赢家。
英特尔是全球第二大芯片制造商。由于其10nm工艺的一再延迟,英特尔在半导体市场的领先优势已被赶超。目前英特尔10nm可能在2019年末进入批量生产。早在2018年12月,英特尔宣布他们正在开发7nm工艺,并且正在按计划进行。英特尔7nm工艺将使用EUVL(极紫外光刻)制造,预计晶体管密度将达到242 MTr /mm,是10nm工艺的2.4倍。
2017年7月,三星取代英特尔成为全球最大的芯片制造商。对于几乎相同的工艺节点,三星芯片的晶体管密度与TSMC相当。三星为高通、苹果、Nvidia和许多其他厂商生产芯片,并且还将其14nm工艺许可给GlobalFoundries。
三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技术生产了7nm芯片,目前已进入批量生产。迄今为止,三星制造的芯片已经可以使用 7nm 工艺;但它也没有止步于此,仍在持续不断地对7nm进行改进,将电路缩小到6nm,5nm,甚至4nm;不过,三星现阶段的最终目标是利用GAA技术将电路缩小到3nm。
使用GAA(Gate-all-around 环绕栅极)工艺取代FinFET工艺,以增强晶体管性能,这样芯片面积减少45%,性能将提高35%,同时使能耗降低50%。在处理器制造的辉煌时期,新一代技术将带来更小、更快的芯片,而不会增加功耗。如今,这三种好处很难兼得。3nm的成本也可能让人望而却步,但据了解三星相关负责人对 3nm 的前景感到乐观,他表示成本正在逐步下降。
在世界各大半导体公司中,榜首一直被英特尔和三星占据,台积电只能挤进前十,还有德州仪器、AMD、东芝等强劲对手,但若是2nm工艺研发率先取得成功,或可一举占据市场份额,跻身世界前列也或有可能。
目前看来,台积电的眼光不局限于3nm,而是放的更为长远,率先进行2nm工艺的研发。这也将代表中国半导体制造的最高水平发展方向,若是能在半导体阵营率先完成2nm工艺研发,对于台积电本身有着更好的市场份额抢占的竞争力,对于中国,也将是迈进半导体行业发展的坚实一步。