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台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相

来源:诚信在线企业邮局   日期:2019-01-04

  250亿美元相当于1338万台512GB版别的iPhone XS MAX,相当于苹果公司市值的1/30,也相当于北京市2017年全年GDP总额的1/16。

  250亿美元,一起也是2018年6月台积电宣告出资5nm芯片工艺研制与出产的费用。

  在职业不断喊出“摩尔规律已死!”的当下,仍旧有人在不断静心推动芯片工艺,以超人的先进技能应战那些难如登天的使命。在7nm芯片量产的当下,5nm的芯片制作工厂、光刻机、刻蚀机、EDA东西、商场与客户等都已逐个就位,2019年,将会是一场5nm的冲刺赛。

  

台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相杀20年

 

  ▲2018年1月,台积电台湾南科5nm晶圆18厂榜首期开工典礼

  

台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相杀20年

 

  摩尔规律最终玩家!三巨子的爱恨情仇

  摩尔规律的界说为:“当价格不变时,集成电路上可包容的元器件的数量约每隔18-24个月便会增加一倍,功能也将进步一倍。”

  也就是说,在一年半到两年的时刻里,你用相同价钱能够买到的电脑/手机/其他电子产品功能理论上能够增加一倍。

  这简直太爽了,试问哪个职业的创(赚)新(钱)速度能够跟它比美?

  所以,就是这么两行简略的描绘,在曩昔50年时刻里推动着全美国——乃至全世界——的经济高速开展,直接催生了二战后完毕后美国科技工业的全面迸发,至今仍旧引领全球。现在全球科技殿堂“美国硅谷”中的“硅”字,就是源自于集成电路的首要原资料——硅。

  一块面积不变的芯片上,假如需求包容比从前多一倍的元器件数量,那么就需求这些元器件(一般是晶体管)体积更小,一起排布得更“紧”——咱们常说的10nm、7nm芯片制程就是用来描绘晶体管栅极宽度巨细的。纳米进程数字越小,芯片能包容的晶体管数量就越多、功能就越强壮。

  跟牛顿第二规律这种根本物理学规律不同,摩尔规律并不是一个真实的科学定理,它仅仅描绘了芯片技能高速开展的现状。芯片的功能不会主动增加,真实推动摩尔规律往前开展的是那些不断砸钱、招人、试验、研制的芯片企业们。

  不过,商场与经济相同有周期,摩尔规律也不破例。跟着芯片工艺越来越迫临硅的物理极限,摩尔规律在最近这几年来开展速度不断变慢,每一代芯片工艺的研制本钱也像滚雪球相同张狂飙升——比方台积电宣告砸250亿美元研制5nm工艺——跟着技能盈利不断消失,往牌桌上砸钱的玩家也越来越少。

  

台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相杀20年

 

  2018年8月28日,全球第二大芯片代工厂格罗方德宣告,它将无限期地暂停7nm芯片工艺的开发,以便将资源搬运到14nm和12nm工艺上。

  相同在2018年8月,全球第三大芯片代工厂联电宣告,不再出资12nm以下的先进芯片制程。

  所以,从智能手机到个人电脑、从云计算到比特币挖矿,全球许多个依托摩尔规律盈利进行不断研制立异的企业猛一抬头,遽然现在市面上还在哼哧哼哧静心推动摩尔规律的人,就只剩台积电、英特尔、三星这三个“老冤家”了。

  他们一个是全球榜首大芯片代工厂(台积电),别的两个则是全球芯片IDM厂商的老迈和老二(英特尔和三星)。

  三星的半导体事务由来已久,早在1993年,三星就现已成功跻身全球第七多半导体厂商之位,在尔后的二十多年里一路稳中有进,从未跌出过全球前十。上一年10月,三星电子宣告经过了8nm LPP工艺验证,但一直到2018年11月才在自家年度旗舰手机芯片Exynos 9820手上用上8nm技能,估计2019年头量产。

  

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  ▲IC Insights组织发布的1993-2017F全球半导体十大厂商变迁图,20多年里英特尔一直稳坐榜首

  至于老牌芯片巨子英特尔则更是在先进芯片工艺上投入严重,早年间英特尔在半导体范畴简直一骑绝尘,连台积电都要仰仗英特尔的给予代工认证(1988年)。而从1999年的180nm工艺开端,英特尔以每两年更新一代的节奏研制先进制作工艺,在曩昔20多年里坐稳了全球榜首多半导体厂商的龙头宝座。直到2017年,三星凭仗内存价格暴升才逾越英特尔,翻身跃居榜首。

  英特尔的工艺研制进程在近年来遭到了不小的应战,在2015年7月,英特尔宣告本该在2016年面世的10nm工艺推延量产,尔后英特尔尽管也在不断优化14nm技能,部分10nm芯片也开端小批量出货,但其10nm至今没有正式宣告量产。

  不过话说回来,前期的nm制程=栅极宽度巨细,可是后期延伸出了更多让晶体管紧凑的办法,因而nm制程与栅极宽度巨细并不逐个对应,取决于各家界说:比方英特尔14nm的栅极宽度为42nm,同期三星14nm的栅极宽度为48nm,而台积电16nm的栅极宽度为45nm。在1um^2的面积上,英特尔14nm晶体管能够摆上101个,三星14nm晶体管只能摆75个,台积电的16nm晶体管能摆上81个。

  但不管怎样算,现在台积电在先进工艺上处于大幅抢先的方位,其7nm芯片现已量产并连续接下苹果A12、华为麒麟980、高通骁龙855、比特大陆、嘉楠耘智订单。台积电也终年称雄芯片代工范畴老迈位置,现在市占率超越56%(第二名为9%)。

  上一年,台积电现已吹响了5nm工艺制程的冲击号角。2018年1月,台积电在台湾开设了新的5nm晶圆18厂。同年6月的半导体技能论坛上,台积电宣告出资250亿美元研制、出产5nm工艺。

  而在年末的台积电年度“供应链办理论坛”上,台积电总裁魏哲家表明,该5nm晶圆厂现在现已在设备装机中,估计2019年Q1竣工,2019年Q2将进行5nm芯片制程的危险试产,2020年投入量产。

  

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  EUV极紫外光刻机——5nm就靠你了

  其实,除了台积电之外整个芯片制作职业在推动10nm以下技能的研制都多少遇到了些问题,但这个“锅”并不彻底要他们自己背,上游设备商也要背一部分。

  芯片制作的环节十分杂乱,首要要对硅进行锻炼提纯切开等,得到一块大的硅晶圆。

  

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  ▲硅晶圆

  紧接着,晶圆要经过湿洗(去除杂质)、光刻(雕琢出芯片图画)、离子注入(构成场效应管)、刻蚀(吹走/洗走剩下的资料)、冲刷、退火、氧化、气相淀积等许多环节,最终经过测验才送去切开成许多小片片,经过封装后变成咱们了解的芯片。

  假如再进一步简化,就能够看作是:用光刻机往硅片上雕琢出特定图画,用刻蚀机吹走/洗走剩下的资料,最终经过一系列处理成为芯片。

  以上每一个环节都会涉及到专用的制作设备。因为芯片工艺制程的进一步开展,这些芯片图画的线条也越来越细,关于设备的要求也越来越高——首战之地的,天然是担任“雕琢”的光刻机了。

  

台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相杀20年

 

  ▲光刻原理简示

  光刻机的运作原理是:先把规划好的芯片图画印在掩膜上,接着用激光光束穿过印着图画的掩膜和光学镜片,将芯片图画曝光在带有光刻胶涂层的硅片上,此刻涂层被光照到的当地发作反响溶解,没有被照到的当地坚持不变,掩膜上的图画就被搬运到芯片光刻胶涂层上。

  

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  ▲刻蚀原理简示

  刻蚀相对光刻要简单。刻蚀机经过干刻蚀(用等离子体进行薄膜刻蚀)及湿蚀刻(液体腐蚀)的办法,依据印上去的图画刻蚀掉有图画(或许没有图画)的部分,留下剩下的部分,芯片图画又从光刻胶涂层搬运到了硅片上。

  现在市面上高端芯片运用的遍及是第四代DUV深紫外光刻机,它的激光波长是193nm(波长越小,“刻刀”越精密),它的理论“雕琢”极限大约是130nm。

  

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  可是到了2005年,光刻机厂商仍是没能成功量产下一代波长更短、“刻刀”更精密的第五代EUV超紫外光刻机,逼得近年来各大芯片制作厂不断创造立异,用上了多重曝光、步进式扫描、滋润式光刻等更多新技能,继续保持摩尔规律从90nm到现在的14nm、10nm开展。而滋润式光刻技能的开创者林本坚博士也获得了2018年未来科学大奖-数学与计算机科学奖。

  用193nm的DUV深紫外光刻机造7nm芯片,就像用一支直径是193nm的笔去写7nm的字相同,其难度不亚于拉着骆驼穿过针眼,半导体技能开展到最终居然有点哲学的意思。

  而且,因为频频用上了滋润式光刻、三重曝光等杂乱技能,用193nm DUV光刻机打造7nm芯片的本钱已然超越了EUV ,出产交期更长、技能更为杂乱,因而7nm之后,职业关于第五代EUV超紫外光刻机的呼声越来越激烈。

  EUV超紫外光刻机的激光波长只要13.5nm,是一把十分精密的“雕琢刀”。这一技能源自于美国雷根年代的“星战方案”。EUV超紫外光刻机本应在2005年就量产上阵,可是因为这一技能的研制难度巨大,EUV设备不只所需的光源功率迟迟无法到达250W作业功率需求,而且关于光学透镜、反射镜体系的精密度高到反常。

  比方EUV光刻机的要害部件反射镜,其瑕疵巨细只能以pm(nm的千分之一)计。假如反射镜面积有整个德国大,最高的突起处不能高于一厘米。

  

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  ▲荷兰光刻机巨子ASML总裁暨CEO温彼得(Peter Wennink)

  “假如咱们交不出EUV超紫外光刻机的话,摩尔规律就会从此中止。”荷兰光刻机巨子ASML总裁暨CEO温彼得(Peter Wennink)从前这样说。

  因而,尽管英特尔、台积电、三星这三大个老冤家互相抢订单、抢人才的竞赛不断,可是在2012年的时分,他们三个从前联袂向荷兰ASML光刻机厂出资41亿、14亿、9.75 亿美元,催促ASML加速研制新一代EUV超紫外光刻机,可见光刻机的重要性。

  尽管荷兰ASML的EUV光刻机跳票了十多年(而且业界老二、老三尼康与佳能纷繁抛弃研制,这个节奏是不是很眼熟?),但到了2016年,ASML总算将EUV光刻机造了出来并成功量产。

  2017年,ASML出货了11台EUV光刻机,2018年出货了18台。尽管这些EUV光刻机根本上被台积电、三星这些厂商优先买去了,但中芯世界也出资1亿多美金购买了一台7nm工艺EUV光刻机,估计2019年上半年到货。

  ASML表明,因为EUV超紫外光刻机的零组件多达5万多个部件,从客户下单到正式交货,交期约21个月。

  现在台积电现已量产的华为、苹果、比特大陆等7nm芯片都仍是依据193nm的DUV深紫外光刻机的,可是DUV技能现已迫临极限,再往下走的话本钱飙升,5nm芯片的技能途径有必要转到EUV。

  2018年10月,台积电宣告依据EUV技能的7nm芯片现已流片成功,和7nm DUV比较,7nm EUV能够进步芯片密度20%,功耗下降6%至12%。台积电的5nm有望大面积用上EUV。

  

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  金贵的5nm和不差钱的台积电

  在先进工艺上的不断砸钱研制也给予了台积电丰盛的工业报答,终年称雄芯片代工范畴老迈位置的台积电,这两年靠着苹果、高通、华为等的订单赚得盆满钵满,其2018年前三季度兼并营收达新台币7417.03亿元,较2017年同期增加6.0%,8月初的病毒事情都未曾大面积影响其财报。

  上文说到,台积电在2018年1月就开端兴修5nm晶圆厂了;除了钱、晶圆厂、光刻机之外,5nm的刻蚀机、EDA东西、客户等也现已连续就位:

  1)5nm刻蚀机已就位;

  芯片的制作进程能够简化成用光刻机“雕琢”图画,用刻蚀机吹走/洗走剩下的资料。相关于光刻机,刻蚀机的研制难度要小一些,但刻蚀机也是除光刻机以外最要害的设备。现在一台刻蚀机单价在200万美元左右,一个晶圆厂需求40-50台刻蚀机。

  国外刻蚀机设备厂商首要有使用资料(Applied Materials)、科林研制(LAM) 、东京威力科创(TEL)、日立先端(Hitach)、牛津仪器等;国内玩家则有中微半导体、北方微电子、金盛微纳科技,咱们跟国外的距离没有光刻机那么大。

  2018年12月,中微半导体的5nm等离子体刻蚀机也宣告经过台积电验证,将用于全球首条5nm制程出产线。而在7nm年代,中微半导体的刻蚀机也进入了台积电的7nm产线。

  2)5nm EDA东西已就位;

  现在,全球几大EDA巨子都现已连续推出了5nm芯片规划东西,比方在2018年10月,新思科技宣告其数字和定制规划渠道经过了台积电的5nm EUV工艺技能认证。

  而另一EDA巨子华登世界创始人兼Cadence CEO陈立武从前通知智东西,现在Cadence现已和许多协作伙伴开端了7nm、5nm、乃至3nm芯片工艺制程的研讨。比现在年年头,比利时公司Imec与Cadence就成功流片了首款3nm测验芯片。

  陈立武说,现在5nm商场是最活泼的,有许多十分活跃的公司正在组织5nm相关EDA软件与规划、IP的协同。

  3)5nm客户已就位;

  有工艺,天然也需求有商场。台积电曾表明,现在许多客户现已开端依据新工艺开发芯片了。

  不过因为芯片规划的杂乱度不同,像比特大陆这种专用芯片规划起来相对简单、手机芯片次之、电脑芯片与数据中心在再次之,所以最早用上先进的工艺的往往是专用芯片而非通用芯片,比方台积电7nm的头批客户只包含了比特币与手机芯片玩家。

  

台积电强攻5nm!猛砸250亿美元,与三星Intel相爱相杀20年

 

  而依据华为海思渠道与要害技能开发部部长夏禹此前给出的芯片工艺路线路,华为的规划是推出7nm芯片之后将推动5nm芯片研制进程,估计5nm芯片面世的时刻点在2020年。

  华为研制人员从前通知智东西,在7nm年代,华为和台积电协作研制了3年,耗资3亿美元,才总算在2018年拿出7nm芯片规划。

  工艺越先进,需求投入的也本钱越高,这个道理在芯片代工厂跟芯片规划商同理,5nm的规划总本钱(人工与答应费)是7nm的1.5倍左右。

  而依据台积电数据,依据5nm工艺出产的A72芯片,芯片面积缩小了1.8倍,速度进步了14.7% -17.1%。

  

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  结语:三大巨子的工艺竞赛还将继续

  跟着研制本钱越来越高,高精尖纳米制程成了越来越少部分玩家的战场,不只芯片先进制作工艺的研制本钱高、芯片规划的本钱也跟着水涨船高。

  在PC和手机的出货量开端走下坡路的当下,不少组织关于本年全球半导体商场的走势持失望情绪。不过,AI、5G、数据中心这些高端芯片需求正处在继续上升之势,尽管现在台积电暂时抢先,可是英特尔、三星、台积电三大巨子的竞赛还将继续,商场关于先进工艺的热心仍旧继续。

  与此一起,三星和台积电都现已发布了3nm的线路图。假如说5nm是一个难关的话,遭到量子隧穿效应影响的3nm就更是一个迫临物理极限的重要应战。摩尔规律没有结束,仅仅门槛越来越高了。