摩爾定律臨近終點(diǎn),已是不爭的事實(shí)。
市場(chǎng)經(jīng)濟下,企業(yè)的自主行為無(wú)可非議,反映盡管尺寸縮小的代價(jià)越來(lái)越高,工藝制程越來(lái)越艱難,但是從市場(chǎng)需求角度出發(fā),仍是有利可圖。如近期ChatGPT,HPC,CPU,GPU,服務(wù)器等芯片的市場(chǎng)高聳,英偉達GPU的H100價(jià)格,每片高達35,000美元,仍供不應求,推動(dòng)尺寸縮小繼續艱難前行。
為什么臺積電三星及英特爾,全球芯片三雄仍義無(wú)反顧地大舉進(jìn)軍先進(jìn)工藝制程,每年每家投資近300億美元。以下依臺積電為例來(lái)作個(gè)說(shuō)明:
在45納米時(shí),臺積電要達到貢獻20%的收入,需要爬坡兩年,而28納米時(shí),同樣貢獻20%營(yíng)收要一年,在7納米時(shí)貢獻20%的收入要大半年,而到5納米時(shí)貢獻它的20%營(yíng)收只要一個(gè)季度。足以表明盡管先進(jìn)工藝制程的投入大,但是由于每個(gè)代工硅片的單價(jià)迅速提升,推動(dòng)其營(yíng)業(yè)收入增長(cháng)。
今年臺積電第一代3納米制程其最大客戶(hù)是蘋(píng)果A17處理器。臺積電指出,N3制程需求強勁,并會(huì )在下半年大幅成長(cháng),將支援HPC及智慧型手機平臺,預期將占2023年晶圓營(yíng)收比重4~6%。
英特爾中國區總裁兼董事長(cháng)王銳在2023年三月的一次活動(dòng)中表示,公司已完成Intel 18A(1.8nm)和Intel 20A(2nm) 制造工藝的開(kāi)發(fā)。其中,Intel 20A計劃于2024年上半年投入使用,進(jìn)展良好的Intel 18A制造技術(shù)也將提前到2024年下半年進(jìn)入大批量制造(HVM)。上述制程或將有部分利用High-NA EUV光刻機。
依臺積電2022年營(yíng)收750億美元計,它的5納米營(yíng)收占26%,為195億美元及7納米占27%為202億美元。
定律仍艱難緩行
業(yè)界對于定律終止的討論,各有所見(jiàn),由于站立的角度不同,難分伯仲。
一個(gè)不爭的事實(shí),投資越來(lái)越大,已到咋舌地步。
隨著(zhù) 2013年 FinFET 晶體管的推出,芯片設計成本開(kāi)始飆升,近年來(lái)隨著(zhù) 7 納米和 5 納米級工藝技術(shù)的發(fā)展,芯片設計成本奇高。據國際商業(yè)戰略 (IBS) 最近發(fā)布了有關(guān) 2nm 級芯片設計費用的預估,相當大的 2nm 芯片的開(kāi)發(fā)總計將達到 7.25 億美元。
媒體The Information認為,臺積電在 2025 年下半年開(kāi)始量產(chǎn)時(shí),每片 N2 晶圓的代工收費將達到 24,570 美元,與 N3 相比上漲近 25%。
另外,從臺積電在美國投資建廠(chǎng)資料,已從原來(lái)的120億增至400億美元,共建兩條線(xiàn),總計月產(chǎn)能5萬(wàn)片,計劃從2024年開(kāi)始4納米量產(chǎn)啟步,現在推遲至2025年,并計劃在2026年開(kāi)始3納米實(shí)現量產(chǎn)。
業(yè)內認為當高數值孔徑NA 0.55 EUV光刻機每臺售價(jià)超過(guò)3億美元在2納米及以下生產(chǎn)線(xiàn)中導入時(shí),其生產(chǎn)線(xiàn)每萬(wàn)片投資將高達160億美元。
一個(gè)不可否認的現實(shí)進(jìn)入3納米級后,由于芯片制造過(guò)程中的隨機誤差增多,成品率下降,剛開(kāi)始時(shí)50%左右,現階段才剛達到約80%。
尺寸縮小歷程
業(yè)界公認推動(dòng)半導體業(yè)進(jìn)步有兩個(gè)“輪子”,一個(gè)是尺寸縮小,另一個(gè)是硅片直徑增大,不容懷疑依尺寸縮小為主,原因是硅片直徑的增大,涉及的因素太多,投資太大。在2000年左右開(kāi)始導入12英寸硅片,目前已經(jīng)逐漸成為主流,占硅片總量約60%,下一步18英寸硅片尚無(wú)聲息。
半導體的尺寸正以每代縮小70%的規律進(jìn)步。從90nm,65nm,45nm,推進(jìn)到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。業(yè)內有個(gè)通用說(shuō)法,基本上沿著(zhù)每?jì)赡昵斑M(jìn)一個(gè)工藝臺階,現階段已達3納米。
之前晶體管的特征尺寸與柵長(cháng)對應,然后從28納米后釆用3D finfet結構,實(shí)際上已與柵長(cháng)無(wú)關(guān),顯然由于各家都自定義工藝尺寸,導致業(yè)內誰(shuí)占先的爭論有時(shí)會(huì )發(fā)生。
另外較為關(guān)鍵的工藝節點(diǎn),2013年英特爾首創(chuàng )3D finfet結構,晶體管形狀在28/22nm之前是平面的,從16nm開(kāi)始的FinFET結構和從2nm開(kāi)始的Gate-All-Around(環(huán)柵GAA)的變化,如果不采用新的結構,就無(wú)法達到預期的性能。
另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),即便finfet結構到7納米時(shí),也難前行,必須放棄光學(xué)方法,而采用價(jià)格昂貴的EUV光刻機設備輔助,由此表明采用光學(xué)方法,加上多次圖形光刻技術(shù)幫助,其極限工藝尺寸只能實(shí)現7納米。
至少到目前為止,2025年能進(jìn)入2納米,已無(wú)異議,隨后所謂進(jìn)入的1.8納米等,全球有多家半導體巨頭仍有興趣。不管如何硅原子的直徑約0.2納米,到約5個(gè)硅原子厚度,可能是硅基材料的終點(diǎn)。
結語(yǔ)
推動(dòng)全球半導體業(yè)進(jìn)步,尺寸縮小仍是主力,然而由于客觀(guān)規律,定律終將接近終點(diǎn),尺寸縮小的時(shí)程會(huì )增長(cháng),但是不會(huì )阻礙產(chǎn)業(yè)的持續進(jìn)步,近期ChatGPT紅火,加上Chiplet及先進(jìn)封裝等綜效,預期全球半導體業(yè)至2030年時(shí)可達萬(wàn)億美元。
在市場(chǎng)需求方面,臺積電董事長(cháng)劉德音稱(chēng),臺積電3nm制程市場(chǎng)需求非常強勁,可能已有9家客戶(hù),3nm制程量產(chǎn)今年開(kāi)始,蘋(píng)果是它的客戶(hù),每年帶來(lái)的收入都會(huì )大于同期的5nm。根據估計,3nm制程量產(chǎn)的5年內,將會(huì )釋放全世界1 .5萬(wàn)億美元的終端產(chǎn)品價(jià)值。
(來(lái)源:求是緣半導體聯(lián)盟)