材料-先进工艺一骑绝尘,台积电将于明年量产 3nm 芯片

2021-03-04 14:27:16 10

自上世纪 50 年代末发明集成电路以来,去过的几十年,在摩尔定理的推动下,芯片集成度每隔 18 个月提高一倍,经历了 mm 到 µm 再到 nm 的进化,目前最新的工艺已发展到 5nm。半个多世纪以来,芯片的性能和复杂度提高了 5000 万倍,特征尺寸则缩减到一根头发丝直径的万分之一。

芯片技术的演进,芯片制造商占据了举足轻重的地位。随着先进制程技术不断演进,研发、制造成本大幅增加,技术和资金壁垒不断提高,具备先进制程的厂商数量越来越少。在这些晶圆代工(Foundry)厂之中,台积电是无可争议的王者,工艺更先进更成熟,成为各大芯片厂首选代工厂商,全球市场占有率超过了 50%。7nm 时代,像高通骁龙 865、苹果 A13 Bionic、华为海思麒麟 990,都不约而同选择了台积电为代工厂商。

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三星作为晶圆代工领域的老二,这些年来一直扮演台积电追赶者的角色。其实力和台积电还是有所差距的,但差距不大,特别是 2011 年梁孟松的加入,让三星在芯片制造工艺上逐渐追赶上了台积电最新的 5nm 工艺制程,台积电利用其丰富的芯片制造经验,率先量产 5nm 芯片,为苹果代工 A14 Bionic 芯片,为华为代工麒麟 9000 芯片。但三星很快也宣布 5nm 芯片制造投产,并接下代工高通骁龙 888 的大单。

芯片工艺竞赛还在继续,台积电有望在今年下半年开始 3nm 工艺芯片的风险生产,届时将生产 3 万块先进工艺芯片。这与半年前的报道相似,说明台积电的 3nm 工艺按原计划稳步进行。按照台积电的计划,3nm 工艺 2021 年开始风险试产,2022 年下半年大规模投产,设定的产能是每月 5.5 万片。随后就将逐步提升,2023 年的月产能将提升到 10 万片。

台积电 3nm 工艺准备了四波产能,其中首波产能中的大部分将留给他们的大客户苹果。与 5nm 工艺芯片相比,台积电 3nm 芯片在性能和功耗分别提升了 15% 和 30%。与此同时,台积电还计划在年内扩大 5nm 芯片的产能,以满足主要客户日益增长的需求。报道称,今年上半年,台积电 5nm 工艺产能将从 2020 年四季度的 9 万块提升至 10.5 万块,并计划在下半年将产能进一步扩大至 12 万块。

iPhone 12 系列火爆销售、iPad Air 持续热卖、以及苹果转向使用 ARM M1 芯片,为台积电 5nm 产线带来源源不断的订单。据悉,今年下半年将要发布的 iPhone 13 系列,苹果将使用 5nm+ A15 芯片,即 5nm 的改进版本 N5P,将提供更好的性能、更低的功耗。

分析认为,明年的新款 iPhone 将使用 A14 芯片,将基于台积电 4nm 工艺制造。而 3nm 工艺将用在后年的 A17 芯片上。


先进制程远没有终点,台积电已走在探索 1nm 制程的道路上。前不久,台积电和交大联手,开发出全球最薄,厚度仅有 0.7nm 的超薄 2D 半导体材料绝缘体,可望借此进一步开发出 2nm 甚至 1nm 的电晶体通道。报道称,台积电正在筹集更多资金,目的是向 ASML 购入更多更先进制程的 EUV 光刻机,而这些都是为了 1nm 新制程做好准备。台积电还在为 2nm 后的先进制程持续寻找设厂地域,包括桥头科、路竹科,这些均在台积电评估中长期投资设厂的考量之列。


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