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三星臺積電爭相進軍3nm,intel仍在掙扎,但是真正突破7nm並繼續前進

一般認為28nm以下的工藝就已經是先進工藝了。而真正拉開不同公司的差距的是7nm。當臺積電,三星爭相進軍3nm之時,昔日霸主intel仍然在10nm掙扎,遲遲無法突破。GlobalFounries早早放棄了7nm的研發。中芯國際仍在追趕,不過目前只是剛剛突破了12nm工藝。真正突破了7nm並繼續前進的,目前僅有臺積電和三星兩家。

7nm是一個非常關鍵的節點,它是DUV光刻機所能達到的極限。從7nm開始,EUV光刻機將成為必須。沒有EUV光刻機,將無法再進行下一代工藝的研發。

臺積電的初代的7nm工藝,就完全由DUV光刻機實現。相對於臺積電的上一代主要工藝節點16nm,7nm可以提供3。3倍的電路密度。相同功耗,可以提供35·40%的效能提升。如果基於相同的效能做比較,功耗可降低65%,非常可觀。 後來,臺積電基於初代7nm工藝,在生產步驟上進行了最佳化,推出了一個改進版本。叫做7nm效能增強版(7nm Performance-enhanced version,n7p), 效能有所提升,約7%。

在引入EUV光刻機之後,首次應用在7nm的一些步驟的改進上。一些在DUV光刻機下需要多次曝光才能夠完成的圖形,由於EUV的引入,可以一次完成。這樣做的好處就是能夠減少多次曝光所引入的不可控的畸變,從而提升晶片的一致性和良率。引入EUV的7nm,被命名為N7plus。根據臺積電方面的資料,n7plus和初代n7工藝相比,電路密度提升1。2倍,相同功耗情況下,效能可提升10%。相同效能下,功耗可降低15%。

這些就是DUV和EUV在7nm工藝的差異。

為什麼必須要有EUV光刻機?DUV的極限,7nm以下工藝介紹

臺積電馬不停蹄,繼續將EUV更多的應用與生產步驟中,推出了6nm(n6),這個工藝相容7nm,也就是說,客戶的7nm的設計,可以透過shrink的方式,生產處6nm工藝的晶片。N6用的客戶不多。因為對於追求極致功耗的或者極致效能的客戶,往往會直接選擇5nm(N5)。 更何況,更先進的N5可能會先於N6量產。不過成本上,n6相比於n5,更為便宜。

臺積電5nm工藝(n5)是繼n7之後的主要工藝節點。可以說是現在能夠量產的最先進的工藝。而N5的產能也不是一般的公司能夠拿到。訊息稱,臺積電n5的產能的一半以上都被蘋果所佔有,即便是高通,AMD這樣的臺積電的老客戶,也無法拿到足夠的產能。目前,N5仍處於產能爬坡期。臺積電在美國正在建立6座5nm工廠。不過預計建成仍需要數年時間。

和N7相比,N5可以提供1。8倍的電路密度,相同功耗下15%的效能提升以及相同效能下,30%的功耗降低。

如果說7nm,在沒有EUV光刻機情況下,還可以研發出來。那麼在5nm,這將是不可能的。在EUV光刻機情況下,很多層也需要透過多次曝光的方式才能實現。N5,是第一個大量應用EUV光刻機的工藝(intensive EUV)。

N5的下一代工藝就是3nm。自16nm開始,電晶體開始採用finFET結構。而到了3nm,FinFET結構也接近了極限。在臺積電看來,FinFET仍然可以應用於3nm。而三星則走了另外一條路,GAAFET(Gate-all-around FET)。而與GAAFET類似的新結構,臺積電準備應用於2nm工藝上。

為什麼必須要有EUV光刻機?DUV的極限,7nm以下工藝介紹

簡單來說,三星的GAAFET有進一步改進的潛力,例如2nm工藝。而臺積電的FinFET 3nm,則成本更低。

根據臺積電的計劃,3nm的正式引入,應該在2022年。而三星已經搶先一步,釋出了3nm工藝晶片。不過這款晶片是一款SDRAM儲存晶片,並非通常意義上的soc晶片。由於三星的策略一直比較激進,以往相同工藝做比較的話,效能以及功耗等方面和臺積電還是有一定差距。例如,蘋果就曾同時將手機晶片交給臺積電以及三星兩家生產,在效能功耗方面,臺積電的晶片都明顯優於三星。因此,3nm哪家更強,我們還是拭目以待吧。

在晶片製造領域,已經形成了臺積電,三星雙寡頭格局。我國目前已經取得了12nm上的突破。基於現有的DUV光刻機,理論上仍然可以實現7nm的工藝製程。

光刻機,晶片製造,EDA仍然是目前是落後於國際的少數領域之一。由於全國各界的重視,突破也只是遲早的事。 另外,美國安全域性也釋出報告稱,美國產業鏈過度依賴臺積電。歐盟委員會正式釋出的《2030 DigitalCompass》規劃書,大力發展下一代2nm的先進製造。因此,全球半導體產業呈現出了去臺灣化的趨勢,值得臺積電警惕。

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