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半导体战争!三星怒砸7730亿!台积电买走大半光刻机!

http://www.ec.hc360.com2019年05月08日11:12 来源:半导体行业联盟T|T

    近日,三星电子放了狠话,将在未来10年内(至2030年)投资133兆韩元(约合1150亿美元,7730亿人民币),以在逻辑芯片制造领域发挥主导作用。

    刚刚登上代工厂第二名的三星,显得相当的雄心勃勃:1、在逻辑芯片市场称王;2、挑战台积电代工厂龙头的位置。

    这厢三星发力要蚕食价值850亿美元的代工市场(数据来源:Gartner)这块肥肉;那边吞掉超过一半市场份额的台积电,显然不打算对三星的挑衅置之不理了。

    在这场芯片制程终极之战中,三大芯片代工巨头,一方面进行着路线之争,另一方面铆足火力隔空火拼未来的关键制程技术节点,尤其是6nm和5nm。

    所谓路线之争,一方有台积电三星自定标准,“激进”挺进5/4/3nm工艺,另一方英特尔坚守“慢工出细活”,做业界最好的10nm。

    而关于未来技术节点之战的导火索,在这个4月已经被点燃!台积电和三星两大芯片代工厂隔空开“杠”,三星刚高调更新6nm、5nm工艺进展,台积电就在当日傍晚立即跳出来宣布自己的6nm计划。

    芯片制程的战火,正从前两年炙手可热的10nm、7nm向更为领先的6、5、3nm蔓延。

    ▲全球各大代工厂制程节点技术路线(来源:ExtremeTech)

    从争相研发先进技术,到积极储备顶级光刻机等半导体制造设备,台积电和三星的战旗已经高举,以各自独特的方式给摩尔定律续命。同时,摩尔定律的拥护者英特尔则坚持遵从严苛的技术规格,循序渐进地进行着堪比其他厂7nm的10nm制程研发。

    新的制程之战已经隔空上演,三大巨头谁又最有望夺得芯片制程的王座?

    三大巨头10nm与7nm阶段性战果

    经过去年苹果、华为、高通围绕7nm手机芯片的一系列宣传,7nm制程从去年到今年一直是科技行业内的一大热点。

    虽说10nm以上工艺的芯片足以满足绝大多数电子设备的性能需求,但随着AI和5G声势渐起,更多新的软硬件载体将层出不穷,市场格局未来几年可能产生巨变,而率先掌握最先进制程的研发者,更有希望在未来拔得头筹。

    近两年来,越来越多的半导体厂商宣布推出或即将推出7nm芯片,同时英特尔姗姗来迟的10nm芯片也终于将在今年组团来袭。

    ▲半导体代工厂制程路线图(来源:Anysilicon)

    1、10nm:台积电2年前量产,英特尔慢工出大活

    台积电的10nm工艺于2016年底投入批量生产,并在去年从10nm迅速发展至7nm。台积电相信7nm产品将成为28nm和16nm等长寿命节点。

    ▲台积电历代制程PPA(Power,Performance,AreaReduction)较上一代提升幅度(来源:ExtremeTech)

    在2018年初,三星开始量产第二代10nm工艺,称为10LPP(低功率+)。去年晚些时候,三星推出了第三代10nm工艺,称为10LPU(低功耗终极),提供了另一项性能。

    三星采用10nm的三重图案光刻技术。与台积电不同,三星认为其10nm工艺系列(包括8nm衍生产品)的生命周期很长。

    10nm方面,台积电的晶体管密度为每平方毫米4810万个,三星的是每平方毫米5160万个。而英特尔的10nm晶体管密度据说达到了每平方毫米1.008亿个,是目前14nm的2.7倍,接近三星的7nm晶体管密度(每平方毫米1.0123亿个)。

    相较而言,英特尔的10nm制程工艺可以说是好事多磨的典范。

    近年来,英特尔多次调整其10nm路线图。早在2013年,就出现英特尔将在2015年使用其10nm技术生产CPU的传闻,后来这一日期先是被延迟到2016年,又被推到2017年下半年,如今真正的量产时间已经挪到,大规模量产预计到等到明年。

    然后在2016年初,英特尔将其“Tick-Tock”节奏转为“工艺架构优化”模式,正式延长其制造技术节点的生命周期。

    虽说英特尔的10nm制程姗姗来迟,流传比较广的说法是,台积电的16nm相当于英特尔22nm,台积电的7nm相当于英特尔的10nm,台积电的3-5nm相当于英特尔5-7nm。

    2、7nm:台积电多面领先,三星全力追赶

    相比10nm,7nm工艺的玩家更加稀缺,去年8月,昔日的全球第二大晶圆代工厂格罗方德宣布放弃底正式宣布无限期暂停7nm工艺,7nm战场上的阵营唯剩台积电和三星。

    在7nm节点上,现阶段台积电多方面压制三星。

    首先,台积电在时间上先扬起了7nm的旗帜。

    2018年4月,台积电采用DUV技术,率先实现第一代7nm芯片的量产。6个月后,三星基于EUV的7nm工艺投入风险生产。据近日消息,台积电采用EUV的第二代7nm工艺将于今年6月开始批量生产。

    三星在韩国华城建设全新的生产线就是专为7nmEUV量产准备的,计划在2019年底全面完工,7nmEUV大规模量产在明年底前实现,比台积电预计量产时间晚了一年有余。

    ▲韩国华城7nmEUV工厂

    从商用角度来看,台积电的7nm制程已经实现全面量产,而三星的7nm制程迟迟未见商用。

    在亟待先进支撑的手机旗舰机芯片方面,苹果A12、华为麒麟980、高通骁龙855皆采用台积电第一代7nm工艺。华为麒麟985和苹果A13芯片极有可能会采用台积电新的7nmEUV工艺制造。

    据台积电CEO魏哲家在投资者大会上透露,台积电7nm制程去年量产的7nm芯片超过50款,今年年底将超过100款,将出现在一系列新一代CPU、GPU、AI加速芯片、矿机ASIC、网络、游戏、5G、汽车芯片等产品中,AMD、NVIDIA、联发科、比特大陆、嘉楠耘智等都是台积电7nm的客户。

    从台积电各制程营收分布来看,7nm制程的营收比例从去年Q3开始大幅迈进。

    ▲台积电2015年Q3-2018年Q4营收分布(来源:ANANDTECH)

    三星最新推出的自家处理器Exynos9820采用的还是8nmLPP工艺,其Exynos9825有望成为首款搭载7nmEUV的处理器,预计将在今年下半年发布,应该会搭载在三星旗舰机GalaxyNote10上。

    除了三星自己外,目前已知的三星7nmEUV客户有IBM,双方将合作开发下一代高性能计算Power处理器。

    未来之战:6/5/3nm工艺战事储备

    截至今日,台积电似乎已经在7nm制程之战中呈现压倒式胜利,在5nm节点,台积电同样在进度上暂时领先。不过就近期的动作来看,三星也在加强火力。

    三星曾对外宣称,即将来临的5G、人工智能、Connected&Automotive、机器人等技术,是第四次工业革命的催化剂,而为了降低成本,半导体5nm工艺技术的发展成果至关重要。

    4月16日,三星“言行一致”地一连释放多个重磅消息:5nmFinFET工艺技术完成开发、并宣称有能力为客户提供样品、第一个6nm客户进入流片……

    而此前据TrendForce公布的数据显示,今年一季度三星在芯片代工市场的份额将达到19.1%,较去年的14.9%提升近三成。台积电的市场份额则出现了下滑,从去年的50.8%下降到48.1%。

    在6、5、4、3nm之战中,台积电和三星的战鼓才刚刚敲响。

    1、6nm:7nm制程的升级版

    4月16日,三星宣布其第一个基于EUV技术开发的6nm客户进入流片,预计2019年下半年进入量产。

    台积电的传统都是“先做再说”,不过不知道是不是受到三星这位“先做不说”的对手的影响,台积电也在当天傍晚第一次对外宣布其6nm(N6)工艺技术,预计将在2020年Q1试产。

    台积电的6nm听上去貌似比7nm先进了一代,但实际上,它是基于其现有的7nm工艺改进的。

    根据台积电的说法,6nm(N6)技术的逻辑密度较7nm(N7)增加18%,且设计法则与7nm技术完全相容。

    这样使得6nm工艺具备更好的成本优势,同时性能、功耗优势与7nm工艺保持相同,7nm完备的设计生态系统能够被直接迁移再使用,为6nm客户提供一个具备快速设计周期的升级捷径,从而加快产品上市。

    之前盛传的是苹果2020年iPhone的A14系列芯片很可能用台积电的5nm制程,现在看来台积电的6nm工艺也有望被划到备选范围内。

    2、5nm:台积电进入风险试产,三星快马加鞭赶进度

    三星在4月16日释放的消息可不止6nm,说起来,三星在5nm透露的信息量更丰富。

    三星宣布其基于EUV光刻技术的5nmFinFET工艺技术完成开发,采用SmartDiffusionBreak(SDB)晶体管设计架构,相比7nm芯片特定面积晶体管数量增加了25%、速度提高10%、耗能降低20%。

    而这距离三星在7nm工艺中引入EUV技术仅隔6个月。

    三星表示,自2018年Q4以来,其5nm产品就拥有了设计基础设施,包括工艺设计工具、设计方法、电子设计自动化(EDA)工具和IP。此外,三星晶圆厂已经开始向客户提供5nm多项目晶圆服务。

    台积电的5nm工艺信息则释放的更早,而且据说明年问世的苹果A14芯片和华为麒麟990芯片,都已经预定了台积电的5nm。

    去年1月,台积电在台湾开设了新的5nm晶圆18厂(Fab18),同年6月,该公司宣布砸250亿美元投资5nm芯片工艺研发与生产。

    ▲2018年1月,台积电台湾南科5nm晶圆18厂第一期动工仪式

    到去年年底,台积电总裁魏哲家又放出新消息,该5nm晶圆厂目前已经在设备装机中,预计2019年Q1完工,2020年投入量产。

    今年4月3日,台积电官宣5nm已进入风险性试产。相比7nm工艺,基于ARMCortexA72核心的全新5nm芯片能够提供1.8倍的逻辑密度,性能提升达15%。此外,5nm制程将会完全采用EUV技术。

    3、3nm:有望在2020年初级对决

    台积电和三星的高手过招已经延伸到3nm工艺上。当然啦,两家的3nm究竟是怎么定义的还有待考量。

    去年年底,台积电宣布其斥资近200亿美元的3nm晶圆厂正式通过环评标准,预计2020年开工兴建、隔年试产,并在2022到2023年间进入量产。

    这将成为第一座为3nm工艺建造的厂房。

    ▲三星代工厂制程节点技术路线图(来源:ExtremeTech)

    三星关于3nm工艺的说法则不是很统一。在去年12月的IEDM会议上,三星晶圆代工业务负责人EunSeungJung表示,三星已经完成了3nm工艺技术的性能验证,并且在进一步完善该工艺,目标是在2020年大规模量产。但据外媒Tom’sHardware的报道,三星将最早在2021年开始量产3nmGAA(全环栅技术)工艺。

    不过,多数业内人士表示不太相信三星的3nm芯片能在2022年前投入生产。

    如果按照两家公司的既定计划,台积电和三星极有可能将在2022年上演3nm制程的初级对决。

    三大厂设备之争:台积电拿下最多EUV光刻机订单

    工欲善其事,必先利其器。制程越来越精细,离不开半导体制造设备的升级。一个逻辑器件要经过1000多个工艺步骤,要攻克上万个技术细节才能加工出来。

    其中,最最最核心的设备当属光刻机,光刻技术堪称是现代集成电路上最大的难题,是决定制程能有多精细的“刻刀”。

    1、起决定性作用的光刻机

    光刻机有多重要?没有ASML的光刻机,台积电、三星、英特尔的先进制程都是一纸空文。

    从前文可以看到,台积电初代7nm工艺使用的还是深紫外(DUV)光刻技术,从台积电第二代7nm工艺和三星初代7nm工艺开始,两家的先进制程都计划使用极紫外(EUV)光刻技术。

    尽管EUV在上个世纪就开始研发,但一直达不到应用的需求,当前半导体生产中通常使用的是波长193nm的DUV技术,人们借助沉浸式光刻、多重曝光等复杂技术,用DUV“凑活着”推进到了10nm芯片。

    三星的8nm制程就使用的是DUV光刻+多重曝光生产的方法。

    我们常用中性笔来写字,想象一下,假设给你一个193mm的中性笔,让你写出粗细为1.0mm的字,是不是简直天方夜谭?(此处感谢科学家们的聪明才智)

    光刻机老大荷兰ASML的EUV光刻机在跳票十多年后,终于在2016年成功量产。ASML也是全球唯一一家能生产EUV光刻机的公司。

    此前为了督促ASML加快研发,台积电、三星、英特尔还曾联合给ASML投资当股东,不过EUV光刻机刚产生质的突破,三巨头又陆续抛售股票了。

    据悉,截至去年5月,台积电、三星、英特尔分别向ASML采购了10套、6套和3套EUV设备,我国大陆的晶圆制造公司中芯国际也在去年抢到1台购买名额。

    而据ElectronicsWeekly援引产应链消息,ASML拟在2019年出货的30台EUV设备,其中18台都被台积电买走(预计总价将超过150亿人民币),英特尔、三星等DRAM客户瓜分其余12台。

    ▲ASML双工件台NXE:3400B型EUV光刻机

    有了EUV设备也不意味着万事大吉了,光刻胶、缺陷检测、光源功率、设备的稳定运行等多个环节都存在需要克服的挑战。

    2、打破封锁,国产刻蚀机进入台积电生产线

    除了光刻机外,芯片制造还离不开刻蚀机。

    光刻机在硅片上“画”出电路结构后,等离子刻蚀机要按着电路结构进行微观雕刻,能刻出加工精度是头发丝直径的几千分之一到上万分之一的接触孔或者线条。现在最先进的刻蚀机就是5nm等离子刻蚀机。

    去年年底,国内半导体圈曝出一个振奋人心的好消息,我国中微半导体设备公司宣布已研发成功5nm等离子刻蚀机,并通过了台积电的认证,将用于全球首条5nm工艺。

    中微半导体设备公司早在去年年初就宣布成功研发5nm刻蚀机,比IBM宣布掌握5nm技术还早了2周。

    中微半导体创始人兼CEO尹志尧称:”设备的研发比芯片新技术的研发至少要提前5年。5nm估计5年以后用户才能够用的到。”他对5nm的市场非常有信心,表示“明年台积电将率先进入5nm制程,已通过验证的国产5nm刻蚀机,预计会获得比7nm生产线更大的市场份额。

    7nm芯片生产线的刻蚀机基本上由属于国际第一梯队的泛林半导体、应用材料、东京电子和日立4家美日企业承包了。去年中微半导体的7nm刻蚀机也宣布进入了台积电生产线。

    另一家国产半导体材料商江丰电子的钽靶材及环件也已经在台积电7nm芯片中量产。

    3、研发投入:台积电略高于三星

    要制造出先进制程的芯片,既要有顶尖制造设备的加持,还要保证核心技术的领先性。

    在这一点上,英特尔、三星和台积电都走在全球最前线。根据ICInsights的数据,2017年三家公司的研发支出均在全球半导体研发支出排行榜上排前六。

    在研发方面,英特尔一贯是重金投入研发的代表企业,每次研发支出都在排行榜上独领风骚。

    本周三,三星宣布将在未来十年投入1150亿美元在逻辑芯片制造上,其中631亿美元用于促进研发,519亿美元用于升级其芯片生产工厂。三星表示,从2019年到2030年,平均每年将花费约95亿美元,并曾透露5nm节点的研发费用将增至5亿美元。

    台积电的年研发支出预计在100亿至110亿美元之间,略高于三星。

    如今半导体业务已经成三星的大功臣,销售额占该集团营业利润的约3/4,从独立晶圆代工业务的举动来看,三星对这一业务相当看重。如果台积电进度持续加快,不排除三星加大研发力度的可能。

    从摩尔定律到Fabless,三巨头的相互成就

    如果将芯片比作电子设备的大脑,制程则近似于表示神经元密度,芯片制程越小,“智商”越高。

    芯片制程描述的是晶体管栅极宽度大小,而说到晶体管栅极就不得不提到推动全球电子产业爆发的摩尔定律。

    1965年,英特尔创始人戈登·摩尔(GordonMoore)提出摩尔定律:“集成电路上晶体管数量,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。”

    早期的芯片制程升级严格遵循摩尔定律,但随着晶体管变小,漏电、散热等物理障碍和越来越高的成本所带来的经济障碍,都让摩尔定律逐渐变得寸步难行。

    近些年,芯片制程经历了如下变化:

    65nm→45nm→32nm→28nm→20nm→14/16nm→10nm→7nm,每提升一次,单位面积的芯片就能装下更多的晶体管。

    也就是说,制程越小,芯片处理速度越快,计算性能和散热效果也会变得更出色。

    正应了那句俗话:浓缩就是精华。

    晶圆代工先进制程市场一直被几大巨头瓜分天下,目前全球具备10nm制程工艺量产能力的仅台积电、三星两家,英特尔的10nm芯片量产预计要等到今年年底。

    其中,台积电当属“改朝换代”般的存在。

    1、改朝换代台积电,催生Fabless新模式

    台积电,这家1987年由张忠谋创立于台湾新竹的公司,开创了晶圆代工(foundry)模式,通俗点说,就是把专门帮别人生产晶圆线。

    在台积电成立之前,英特尔、三星等半导体公司都有自己的晶圆厂,自己的芯片自己负责从晶圆制造到芯片测试和封装的全流程。

    也就是说,台积电将原本只是各家半导体公司副业的晶圆制造变成了自己的主业。

    随着芯片发展,晶圆厂造价不断上涨,越来越多的芯片制造商无力承受,而台积电的创新模式开始走俏于江湖。

    晶圆代工的出现使得他们可以专注于设计和销售,将制造、封装、测试外包给专业的代工厂,这催生了无厂半导体(Fabless)的兴起。

    如今,台积电已经成为令半导体设计厂商仰赖的世界第一大晶圆代工厂,并成为台湾最赚钱的公司,苹果、高通、华为、赛灵思等7nm芯片都是从台积电手中生产出来。

    2、独立晶圆代工业务的三星,盯上龙头宝座

    在全球前八大晶圆代工厂中,三星是唯一的IDM厂商,是如今唯一一个既能自己设计芯片,也能自己制造和为别人代工芯片的半导体巨头。

    而Foundry业务一直是三星的核心板块,三星和台积电的苹果芯片订单之争还一度是业界和果粉间的热门话题。

    为了提升自己晶圆代工的业务水平,三星可谓是出尽各种招式:投资、挖人、独立晶圆代工业务,还在去年年初的三星晶圆代工论坛上,放话说:“今年的目标是到年底,将晶圆代工的市占率从第四名提升到第二名,超越联电和格芯。未来则打算超越台积电。”

    现在看来,三星的年底小目标已经实现了。

    根据今年上半年出炉的多份产业报告,三星终于摆脱格罗方德和联电的压制,从排名第四攀升到全球第二大代工厂的位置,成为台积电最大的竞争对手。

    

    

    不过也有报告指出,三星市占提高是因为晶圆代工部门被独立出来,因此生产三星自家的Exynos手机芯片也被算在代工营收中,这才使得市占率大增。

    3、先进制程争霸赛——巨头的独角戏

    研发10nm及以下的先进制程工艺,不仅要具备领先的技术实力、投入巨额的资金,还要面临市场起量不足、客源有限等导致产能过剩的亏损风险。

    随着技术红利消失,在利益权衡之下,格罗方德和联电均在去年宣布放弃退出10nm及更先进制程工艺的争夺战。以他们为代表的绝大多数代工厂,选择专攻10nm及以上制程的技术优化和市场拓展。

    如今,坚守在10nm及更先进制程的晶圆代工玩家仅剩台积电、三星和英特尔。

    其中英特尔又属于比较特别的存在。

    它虽然在2014年的转型策略中曾将扩大晶圆代工业务当作一个重点,但可能受制于10nm工艺一直延期、最大代工客户Altera被自己收购、其他代工客户业务量不大等原因,英特尔在去年关闭对外的晶圆代工业务,专注于代工自己的芯片。

    很久以前,有个叫ITRP的会议,把业界大佬们聚集一堂,共同制定下一个节点的标准。后来有一天,英特尔要定自己的标准,之后台积电、三星也纷纷制定自己的节点标准。

    这就导致不同厂商的制程不能仅靠数字就能比较出优劣。

    目前20nm以下的工艺,或多或少都在玩弄数字游戏,并不完全符合原来对制程的定义。

    台积电和三星的制程在数字上都掺了水分,相比之下英特尔就实在多了,光是14nm工艺,就连续三代以14nm、14nm+、14nm++来命名,每次性能提升的幅度都很高。

    在业务方面,英特尔也基本不涉足移动处理器,这一点和台积电、三星不存在正面PK的矛盾。

    结语:代工厂龙虎缠斗,未来尚不明晰

    从当前格局来看,代工厂的分水岭已经趋于明显。台积电、三星领衔最先进制程工艺的研发,并加重在代工业务的比重,已经开启攻关接近物理极限的3nm制程;英特尔则专注于产品需求,循序渐进地推进制程工艺的进展;而其他代工厂基本上都选择注重10nm以上成熟制程工艺的技术优化和市场拓展。

    虽说台积电已经稳坐晶圆代工第一的位置多年,但三星绝对是不容小觑的对手,从独立代工业务、千亿元投资计划、高调宣布7/6/5nm进展等一系列举措,三星对这一市场的野心已然尽显,和台积电差距的逐渐缩小绝非无稽之谈。

    综合晶圆厂、EUV设备、配套技术等储备来看,台积电和三星之间的差距并不明显,台积电在客户忠诚度、先进制程进度、市场现有份额上优势更足,三星则背靠IDMq全能大厂这棵“大树”,随时可以加大资金和人才投入。

    当然,尽管台积电三星已经隔空擦出了火药味,但多位业内人士表示,当前业界对7nm以下的需求其实并不明显,5nm可能已经是商用极限了,现有制程已经足以应对绝大多数电子设备的刚需。这也意味着,即便两厂玩命砸钱弄出来的超精细制程,以后可能会因为客户不足而在量产方面遇到麻烦。

责任编辑:刘婷婷

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