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半導體主流先進制程工藝

2021-11-11

半導體制造的工藝節點，涉及到多方面的問題，如制造工藝和設備，晶體管的架構、材料等。隨著制程的進一步縮小，芯片制造的難度確實已經快接近理論極限了。目前，已經量產的主流先進半導體制程工藝已經來到了7nm，明年，5nm也將量產。

而從制程工藝的發展情況來看，一般是以28nm為分水嶺，來區分先進制程和傳統制程。下面，就來梳理一下業界主流先進制程工藝的發展情況。

28nm

由于性價比提升一直以來都被視為摩爾定律的核心意義，所以20nm以下制程的成本上升問題一度被認為是摩爾定律開始失效的標志，而28nm作為最具性價比的制程工藝，具有很長的生命周期。

在設計成本不斷上升的情況下，只有少數客戶能負擔得起轉向高級節點的費用。據Gartner統計，16nm /14nm芯片的平均IC設計成本約為8000萬美元，而28nm體硅制程器件約為3000萬美元，設計7nm芯片則需要2.71億美元。IBS的數據顯示：28nm體硅器件的設計成本大致在5130萬美元左右，而7nm芯片需要2.98億美元。對于多數客戶而言，轉向16nm/14nm的FinFET制程太昂貴了。

就單位芯片成本而言，28nm優勢明顯，將保持較長生命周期。一方面，相較于40nm及更早期制程，28nm工藝在頻率調節、功耗控制、散熱管理和尺寸壓縮方面具有明顯優勢。另一方面，由于16nm/14nm及更先進制程采用FinFET技術，維持高參數良率以及低缺陷密度難度加大，每個邏輯閘的成本都要高于28nm制程的。

28nm處于32nm和22nm之間，業界在更早的45nm階段引入了high-k值絕緣層/金屬柵極（HKMG）工藝，在32nm處引入了第二代 high-k 絕緣層/金屬柵工藝，這些為28nm的逐步成熟打下了基礎。而在之后的先進工藝方面，從22nm開始采用FinFET（鰭式場效應晶體管）等。可見，28nm正好處于制程過渡的關鍵點上，這也是其性價比高的一個重要原因。

目前，行業內的28nm制程主要在臺積電，GF（格芯），聯電，三星和中芯國際這5家之間競爭，另外，2018年底宣布量產聯發科28nm芯片的華虹旗下的華力微電子也開始加入競爭行列。

雖然高端市場會被 7nm、10nm以及14nm/16nm工藝占據，但40nm、28nm等并不會退出。如28nm~16nm工藝現在仍然是臺積電營收的重要組成部分，特別是在中國大陸建設的代工廠，就是以16nm為主。中芯國際則在持續提高28nm良率。

14/16nm

14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、礦機ASIC、FPGA、汽車半導體等制造。對于各廠商而言，該制程也是收入的主要來源，特別是英特爾，14nm是其目前的主要制程工藝，以該公司的體量而言，其帶來的收入可想而知。而對于中國大陸本土的晶圓代工廠來說，特別是中芯國際和華虹，正在開發14nm制程技術，距離量產時間也不遠了。

目前來看，具有或即將具有14nm制程產能的廠商主要有7家，分別是：英特爾、臺積電、三星、格芯、聯電、中芯國際和華虹。

同為14nm制程，由于英特爾嚴格追求摩爾定律，因此其制程的水平和嚴謹度是最高的，就目前已發布的技術來看，英特爾持續更新的14nm制程與臺積電的10nm大致同級。

今年5月，英特爾稱將于第3季度增加14nm制程產能，以解決CPU市場的缺貨問題。

然而，英特爾公司自己的14nm產能已經滿載，因此，該公司投入15億美元，用于擴大14nm產能，預計可在今年第3季度增加產出。其14nm制程芯片主要在美國亞利桑那州及俄勒岡的D1X晶圓廠生產，海外14nm晶圓廠是位于愛爾蘭的Fab 24，目前還在升級14nm工藝。

三星方面，該公司于2015年宣布正式量產14nm FinFET制程，先后為蘋果和高通代工過高端手機處理器。目前來看，其14nm產能市場占有率僅次于英特爾和臺積電。

臺積電于2015下半年量產16nm FinFET制程。與三星和英特爾相比，盡管它們的節點命名有所不同，三星和英特爾是14nm，臺積電是16nm，但在實際制程工藝水平上處于同一世代。

2018年8月，格芯宣布放棄7nm LP制程研發，將更多資源投入到12nm和14nm制程。

格芯制定了兩條工藝路線圖：一是FinFET，這方面，該公司有14LPP和新的12LPP（14LPP到7LP的過渡版本）；二是FD-SOI，格芯目前在產的是22FDX，當客戶需要時，還會發布12FDX。

聯電方面，其14nm制程占比只有3%左右，并不是其主力產線。這與該公司的發展策略直接相關，聯電重點發展特殊工藝，無論是8吋廠，還是12吋廠，該公司會聚焦在各種新的特殊工藝發展上。

中芯國際方面，其14nm FinFET已進入客戶試驗階段，2019年第二季在上海工廠投入新設備，規劃下半年進入量產階段，未來，其首個14nm制程客戶很可能是手機芯片廠商。據悉，2019年，中芯國際的資本支出由2018年的18億美元提升到了22億美元。

華力微電子方面，在年初的SEMICON China 2019先進制造論壇上，該公司研發副總裁邵華發表演講時表示，華力微電子今年年底將量產28nm HKC+工藝，2020年底將量產14nm FinFET工藝。

12nm

從目前的晶圓代工市場來看，具備12nm制程技術能力的廠商很少，主要有臺積電、格芯、三星和聯電。聯電于2018年宣布停止12nm及更先進制程工藝的研發。因此，目前來看，全球晶圓代工市場，12nm的主要玩家就是臺積電、格芯和三星這三家。

臺積電的16nm制程經歷了16nm FinFET、16FF＋和16FFC三代，之后進入了第四代16nm制程技術，此時，臺積電改變策略，推出了改版制程，也就是12nm技術，用以吸引更多客戶訂單，從而提升12吋晶圓廠的產能利用率。因此，臺積電的12nm制程就是其第四代16nm技術。

格芯于2018年宣布退出10nm及更先進制程的研發，這樣，該公司的最先進制程就是12nm了。該公司是分兩條腿走路的，即FinFET和FD-SOI，這也充分體現在了12nm制程上，在FinFET方面，該公司有12LP技術，而在FD-SOI方面，有12FDX。12LP主要針對人工智能、虛擬現實、智能手機、網絡基礎設施等應用，利用了格芯在紐約薩拉托加縣Fab 8的專業技術，該工廠自2016年初以來，一直在大規模量產格芯的14nm FinFET產品。

由于許多連接設備既需要高度集成，又要求具有更靈活的性能和功耗，而這是FinFET難以實現的，12FDX則提供了一種替代路徑，可以實現比FinFET產品功耗更低、成本更低、射頻集成更優。

三星方面，其晶圓代工路線圖中原本是沒有12nm工藝的，只有11nm LPP。不過，三星的11 LPP和格芯的12nm LP其實是“師出同門”，都是對三星14nm改良的產物，晶體管密度變化不大，效能則有所增加。因此，格芯的12nm LP與三星的12nm制程有非常多的共同之處，這可能也是AMD找三星代工12nm產品的原因之一。

中芯國際方面，不僅14nm FinFET制程已進入客戶風險量產階段，而且在2019年第一季度，其12nm制程工藝開發進入客戶導入階段，第二代FinFET N+1研發取得突破，進度超過預期，同時，上海中芯南方FinFET工廠順利建造完成，進入產能布建階段。這意味著用不了多久，一個新的12nm制程玩家將殺入戰團。

10nm

到了10nm這個節點，行業玩家就只剩下臺積電、三星和英特爾了。

總的來說，臺積電還是領先的，其典型產品就是2017年為蘋果代工的A11處理器。而三星也緊跟步伐，在10nm這個點，雙方的進度相差不大，但總體水平，臺積電仍然略勝一籌。

今年，英特爾的老對手AMD打起了翻身仗，憑借臺積電代工的7nm銳龍3000系列處理器，讓AMD在CPU處理器的制程工藝上首次超越了英特爾。

而目前，英特爾的主流制程是14nm，不過，前不久傳來消息，經過多年的攻關，該公司終于解決了10nm工藝的技術難題，已經開始量產。

不過，英特爾對制程節點的嚴謹追求是很值得稱道的，從具體的性能指標，特別是PPA和晶體管密度來看，英特爾的10nm比臺積電的10nm有優勢。

7nm

在7nm，目前只有臺積電和三星兩家了，而且三星的量產時間相對于臺積電明顯滯后，這讓三星不得不越過7nm，直接上7nm EUV，這使得像蘋果、華為、AMD、英偉達這樣的7nm制程大客戶訂單，幾乎都被臺積電搶走了。在這種先發優勢下，臺積電的7nm產能已經有些應接不暇。而在7nm EUV量產方面，臺積電也領先了一步，代工的華為麒麟990已經商用，三星7nm EUV代工的高通新一代處理器也在生產當中，估計很快就會面市了。

英特爾方面，在10nm之后，該公司稱會在2021年推出7nm工藝，據悉，其7nm工藝已經走上正軌，功耗及性能看起來都非常好，根據之前的消息，7nm工藝會在2021年的數據中心GPU上首發。

5nm

臺積電在2018年1月就開始興建5nm晶圓廠了；除了錢、晶圓廠、光刻機之外，5nm的刻蝕機、EDA工具、客戶等也已經陸續就位：

1）5nm刻蝕機已就位；

芯片的制造過程可以簡化成用光刻機“雕刻”圖案，用刻蝕機吹走/洗走多余的材料。相對于光刻機，刻蝕機的研發難度要小一些，但刻蝕機也是除光刻機以外最關鍵的設備。目前一臺刻蝕機單價在200萬美元左右，一個晶圓廠需要40-50臺刻蝕機。

國外刻蝕機設備廠商主要有應用材料（Applied Materials）、科林研發（LAM） 、東京威力科創（TEL）、日立先端（Hitach）、牛津儀器等；國內玩家則有中微半導體、北方微電子、金盛微納科技，我們跟國外的差距沒有光刻機那么大。

2018年12月，中微半導體的5nm等離子體刻蝕機也宣布通過臺積電驗證，將用于全球首條5nm制程生產線。而在7nm時代，中微半導體的刻蝕機也進入了臺積電的7nm產線。

2）5nm EDA工具已就位；

目前，全球幾大EDA巨頭都已經陸續推出了5nm芯片設計工具，比如在2018年10月，新思科技宣布其數字和定制設計平臺通過了臺積電的5nm EUV工藝技術認證。

而另一EDA巨頭華登國際創始人兼Cadence CEO陳立武曾經告訴智東西，目前Cadence已經和很多合作伙伴開始了7nm、5nm、甚至3nm芯片工藝制程的研究。比如今年年初，比利時公司Imec與Cadence就成功流片了首款3nm測試芯片。

陳立武說，現在5nm市場是最活躍的，有很多非常積極的公司正在安排5nm相關EDA軟件與設計、IP的協同。

3）5nm客戶已就位；

有工藝，自然也需要有市場。臺積電曾表示，目前很多客戶已經開始基于新工藝開發芯片了。

不過由于芯片設計的復雜度不同，像比特大陸這種專用芯片設計起來相對容易、手機芯片次之、電腦芯片與數據中心在再次之，所以最先用上先進的工藝的往往是專用芯片而非通用芯片，比如臺積電7nm的頭批客戶只包含了比特幣與手機芯片玩家。

而根據華為海思平臺與關鍵技術開發部部長夏禹此前給出的芯片工藝路線路，華為的規劃是推出7nm芯片之后將推進5nm芯片研發進程，預計5nm芯片問世的時間點在2020年。

在7nm時代，華為和臺積電合作研發了3年，耗資3億美元，才終于在2018年拿出7nm芯片設計。

工藝越先進，需要投入的也成本越高，這個道理在芯片代工廠跟芯片設計商同理，5nm的設計總成本（人工與許可費）是7nm的1.5倍左右。

而根據臺積電數據，基于5nm工藝生產的A72芯片，芯片面積縮小了1.8倍，速度提升了14.7% -17.1%。

結語

以上，就業界已經量產的主流先進制程工藝的發展情況，以及相關廠商的進展進行了闡述。而更先進的5nm、3nm、2nm等還沒有進入量產階段，就不再詳述了。這些制程節點已經鮮有玩家了，目前只有臺積電和三星這兩家，臺積電稱將于明年量產5nm，而三星似乎要越過5nm，直接上3nm,我們拭目以待