距摩尔定律失效更近一步

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三星和台积电开始着手5纳米生产

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2019年4月， 世界上最大的两家代工厂——台湾积体电路制造股份有限公司（台积电）和三星——宣布在摩尔定律之梯上又上一个新台阶。 台积电首先发声，称其5纳米制程已经处于“风险量产”阶段。 该公司认为其已经完成了相关工艺，但第一批尝鲜的客户在设计中采用这一制程还是较为冒险。 很快三星也发布了类似声明。

台积电称，其5纳米制程将使芯片速度提升15%，效率提高30%。 三星则表示其技术有望使芯片性能提升10%，效率提高20%。 分析人士认为，这些数字与预期值相当。 但与10年前50%的性能提升相比，如今摩尔定律已不同往昔。 不过，根据代工厂投入的大量资金来判断，消费者认为还是值得的。

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为什么5纳米如此特殊？

5纳米节点是首个从一开始就采用极紫外光刻（EUV）技术的节点。 极紫外光的波长仅有13.5纳米，它能在硅材料上蚀刻极其细小的图形。 这种细小的图形有的也能够通过前一代光刻机完成，但是要获得同样的图形，前一代光刻机需要连续蚀刻3～4种不同的图形，而极紫外光刻只需要一步就能完成。

代工厂在7纳米生产时未采用极紫外光刻，但采用后，该技术减少了光刻步骤并提高了产量。 在5纳米制程中，预计代工厂将使用10到12个极紫外光刻蚀刻步骤，如果采用老旧的技术，则需要30乃至更多个步骤（如果还能使用老旧技术的话）。

由于装载图形的光罩价格高昂，每台光刻机需要投入超过1亿美元，“使用极紫外光刻技术增加了每层蚀刻的成本。 ”超大规模集成电路研究公司的G. 丹•哈奇森（G. Dan Hutcheson）说。 不过按每个晶圆片计算，就存在净利空间了，极紫外光刻将构成未来所有制程的核心。

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谁将使用这种技术？

这种新的生产制程不是每家企业都能使用的，至少目前不是。 不过三星和台积电确定了一部分早期可能采用该技术的公司，包括智能手机应用处理器的供应商和5G基础设施的供应商。 “采用这种技术，你必须具有较高的吞吐量，而且对速度或电源效率有需求。 ”莱恩•杰利内克（Len Jelinek）说，他是IHS Markit的半导体制造技术分析师。

竞争对手也很重要，提里亚斯研究公司（Tirias Research）的凯文•克莱韦尔（Kevin Krewell）解释说。 以往，图形处理器、现场可编程门阵列以及高性能微处理器总是最早利用摩尔定律的优势。 不过现在这些产品的市场竞争相对不那么激烈，需要这种新技术的变成了移动处理器，以拉大与竞争对手间的距离，他说。

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如果只剩两家公司会怎样？

现在只有三星和台积电提供5纳米代工服务。 格罗方德半导体公司止步于14纳米，英特尔公司采用的7纳米技术已经比竞争对手落后几年。 分析人士认为，该公司可能会缩减代工服务。

三星和台积电能继续下去是因为这两家公司能够负担高额的投资成本，且预计会有合理的回报。 按2018年的收入，三星是最大的芯片制造商，其代工业务位居第4，台积电则更领先。 2018年，台积电的资本支出为100亿美元。 预计到2030年，随着每年支出的增加，三星的支出也将接近这一数字。

如果只有两家公司能够掌握最先进的生产制程，那么这个行业还能正常运转吗？ “问题不是能不能正常运转，”哈奇森说，“而是必须运转。 ”

“只要有至少两种不同的选择，行业还是有信心的。 ”杰利内克说。

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下一步是什么？

芯片制造商的生产线一般在7纳米后是5纳米，5纳米后是3纳米。 分析人士则希望代工厂能够提供多种技术，逐步提升，从而填补中间的缺口。 实际上，三星和台积电都提供了所谓的6纳米制程。 代工厂将需要这些中间产品来让消费者逐步走向摩尔定律的尽头。 毕竟5到0之间的数字并不多。

作者： Samuel K. Moore

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