3nm工艺之战谁能获胜？

INTEL不服气，3nm真的是3nm吗？在汽车芯片短缺引发诸多困扰之际，台积电（TSMC）与三星电子之间的3纳米芯片制造大战已经到了紧要关头。

近日，外媒报道称，台积电再次宣布计划增加3纳米工艺产能。

作为苹果主要芯片供应商，台积电预计将在今年下半年开始试产3纳米工艺芯片。

事实上，去年年中，台积电就曾宣布计划提升3纳米工艺产能。

年中将把3纳米工艺的月产能提升至5.5万片，年内进一步扩大产能至10.5万片。

同时，台积电还计划在今年内扩大5纳米芯片产能，以满足主要客户不断增长的需求。

与5纳米工艺芯片相比，3纳米芯片的功耗和性能分别提高了30%和15%。

这是科技公司排队等待台积电晶圆的原因之一。

不过，我们还是要问，本次大赛的流程极限在哪里？ 3nm极限晶圆确实是一笔好生意。

据研究机构IC Insights预估，台积电每片晶圆年营收达1000美元，位列同行第一。

台积电的美元比格罗方德的美元高约66%，也比中芯国际和联华电子的美元高两倍多。

由于台积电去年是全球唯一一家能够量产7纳米和5米工艺晶圆的代工厂，IC Insights估计有16家年营收超过10亿美元的IC设计厂正在排队，等待台积电的新产品。

这也推升了其晶圆营收的激增。

除了5nm之外，台积电即将开发最先进的3nm工艺技术。

事实上，早在2019年9月29日，台积电就宣布其未来的3纳米（nm）工艺晶圆厂将落户台湾台南市南部科学工业园区（“南科”）。

当时有望以最快的速度实现年量产。

目前，台积电在南科拥有三座晶圆厂，分别是晶圆厂14、晶圆厂18和晶圆厂6。

其中，14厂和18厂采用12英寸晶圆，6厂采用8英寸晶圆。

晶圆18厂是5纳米工艺的主要生产基地。

台积电的3纳米工艺晶圆厂也建在18号工厂。

今年第一季度，台积电宣布3纳米工艺将于2020年试产，下半年正式量产。

现在它又宣布增加产能。

一方面是需求的强劲推动，另一方面也是技术的不断进步。

在技??术投入方面，台积电董事长刘德音曾表示，对于3纳米制程技术，台积电在南科厂的累计投资将超过新台币2万亿元（约合人民币1亿元）。

在奔向3nm的道路上，台积电的竞争对手三星今年5月表示，其3nm预计将于2020年推出（2018年试产）。

英特尔预计要到明年才会推出（诚实的人，不要玩数字游戏）。

不过，2019年由于疫情影响，三星3纳米工艺的推出被推迟到2019年。

而说到INTEL，对于台积电10纳米及以下工艺的说法颇有微词。

INTEL认为台积电和三星正在窃取概念。

因为，正如业内所说，“工艺技术就是栅电极的宽度”，随着节点技术的不断进步，工艺技术数字已经偏离了栅电极的实际宽度。

也就是说，浇口的实际宽度越来越达不到制造工艺中规定的数字。

因此，这一切都变成了一场营销游戏。

自从三星有了这个糟糕的开端之后，台积电也做了同样的事情。

2017年，台积电研发负责人黄汉森也承认，“目前用来描述工艺水平的XXnm一词已经不再科学，因为它不再与晶体管栅极绝对相关，工艺节点已经成为一种营销游戏，与技术本身的特性无关。

没关系。

”但比赛还得继续。

根据IEEE的国际设备和系统发展路线图，预计3纳米工艺将于2018年实现量产，其次是2.1纳米()、1.5纳米()和1纳米()。

台积电和INTEL都计划使用2nm作为3nm的后继产品。

台积电预计每年量产产品，INTEL预计2019年推出。

可以看到，INTEL每年量产3纳米似乎相对更现实一些。

从摩尔定律的最终发展来看，INTEL的路线图采用1.4纳米（年）作为2纳米的后继者。

台积电也表示，未来将发展到1纳米。

无论如何，这场烧钱、烧技术的“微”战争还需要很长时间。

3nm用GAA从技术角度来谈论未来将会发生的变化。

台积电的3nm工艺将继续使用FinFET（Fin Field Effect Transistor）。

而三星则直接采用GAA（Gate-All-Around FET，全环绕结构场效应晶体管）。

不过，台积电去年也正式宣布将在2纳米节点引入GAA技术。

那么说到FinFET（Fin Field Effect Transistor），就不得不说说半导体技术发展的历史。

其本质实际上是晶体管尺寸不断缩小的历史。

从20世纪70年代的10微米节点开始，半导体的发展始终遵循摩尔定律。

在发展过程中，FinFET自被英特尔在22nm节点首次采用以来，近十年来已成为半导体器件的主流结构。

但到达5纳米节点后，鳍片结构很难满足晶体管所需的静电控制，而且随着尺寸进一步缩小，漏电现象急剧恶化。

台积电非常了解这种情况。

因此，半导体行业也需要新的解决方案。

正是由于这个原因，GAA被广泛认为是鳍结构的下一代继承者。

当然，无论是之前的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、现在的FinFET还是未来的GAA，虽然形状和材料发生了变化，但最终都是场效应晶体管（FET、Field -效应晶体管）。

2019年，在三星代工论坛上，三星明确表示将放弃3纳米节点的鳍片结构，转而采用GAA技术。

这场战争即将在3nm节点爆发。

此外，英特尔还在苦苦挣扎于7纳米技术的生产难度，尚未给出何时引入GAA的具体计划。

但英特尔首席技术官Mike Mayberry博士去年表示，希望在五年内实现GAA技术的量产。

不过，虽然台积电目前很强大，但说INTEL是“弱鸡”还是不恰当。

关于未来技术趋势的另一个问题是，根据目前的估计，水平方向的GAA足以维持栅极线周期从54纳米减少到约30至40纳米（2至3代节点）。

然而，晶体管的发展此后一直充满挑战和不确定性。

目前已知的替代方案中，垂直纳米线结构、互补结构和堆叠结构是较为可行的解决方案。

这些新结构理论上比GAA结构具有更优越的性能，但它们也需要更先进的工艺水平才能实现商业化生产。

从目前的信息来看，互补结构极有可能是GAA之后的选择。

如今，由于3纳米工艺技术的难度，三星的美国工厂——德克萨斯州奥斯汀的晶圆厂在一年前可能还无法正式量产。

这对于奋力追赶台积电的三星来说，还是不小的压力。

据业内人士分析，从目前台积电公布的工艺进展状况来看，采用EUV光刻（Extreme UV lithography，极紫外光刻）的5纳米良率已经快速赶上7纳米。

有业内人士甚至预计台积电3nm试产的良率可以达到90%。

因此，即使三星能够依靠国内工厂提前量产3nm GAA，在性能上也未必能超越台积电。

3nm工艺的“龙虎大战”，谁胜谁负还有待观察。