10nm 7nm！看三星、臺(tái)積電晶圓大戰(zhàn)盛況

要想讓自己變得強(qiáng)大，最好有一個(gè)比自己還要強(qiáng)大的對手，在晶圓制造領(lǐng)域，臺(tái)積電和三星是一對非常好也非常合格的對手，也正是他們的這種競爭，推動(dòng)半導(dǎo)體的工藝制程前進(jìn)的步伐。

2017年3月，三星和臺(tái)積電分別就其半導(dǎo)體制程工藝的現(xiàn)狀和未來發(fā)展情況發(fā)布了幾份非常重要的公告。三星表示，該公司有超過7萬個(gè)晶圓加工過程都采用了第一代10nm FinFET工藝，未來這一數(shù)量還會(huì)繼續(xù)增加，同時(shí)，三星還公布了未來的即將采用的工藝路線圖。特別是，三星計(jì)劃在未來將公布三個(gè)工藝，目前為止，我們對于這三個(gè)工藝均一無所知。

另一方面，臺(tái)積電表示，采用其第一代10nm工藝的芯片將會(huì)很快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，同時(shí)，臺(tái)積電也表示，在未來幾年，臺(tái)積電將會(huì)陸續(xù)推出幾項(xiàng)全新的工藝，這其中就包括將在2019年推出的首款7nm EUV工藝。

10 nm: 三星還在不斷推進(jìn)

眾所周知，2016年11月份，三星已經(jīng)開始將10LPE制造技術(shù)應(yīng)用到其生產(chǎn)的SOC中。這一制造技術(shù)與三星之前使用的14LPP工藝相比，將能夠縮小30%的晶片面積，同時(shí)能夠降低40%的功耗或者是提高27%的性能(以同樣的能耗)。到目前為止，三星已經(jīng)用該技術(shù)加工量超過七萬片wafer，從這一過程中規(guī)可以大概估算出三星的技術(shù)(考慮到10nm的工藝生產(chǎn)周期為90天左右)。

同時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)知道的是，三星目前還沒有推出很多10nm工藝的產(chǎn)品：只有三星自己的Exynos系列和三星為高通代工的835芯片是使用了三星的10nm工藝。

除了以上產(chǎn)品之外，三星計(jì)劃在2017年底量產(chǎn)采用第二代10nm工藝的芯片，也就是三星所說的10LPP工藝。未來，三星將會(huì)在2018年底推出采用第三代10nm工藝的芯片(10LPU)。去年，三星曾表示，10LPP工藝比現(xiàn)有的10LPE工藝提高了10%左右的性能，而10LPU工藝，具體細(xì)節(jié)目前還一無所知。

但是我們可以肯定的是10LPU工藝必然在性能，功耗和芯片面積上有所提升，但是具體在哪一方面會(huì)有巨大突破，目前還不甚明朗。

隨著這一工藝的出現(xiàn)，三星也將會(huì)和Intel在14nm上推出三代不同的改進(jìn)工藝一樣，在10nm上推出三種不同的改進(jìn)工藝。

不過值得注意的是，三星在14nm上并沒有推出14LPC工藝的產(chǎn)品，那么我們可以猜測，在10nm上，三星也不會(huì)推出對應(yīng)工藝的產(chǎn)品。

這是否意味著，三星推出的10LPU工藝主要針對的是超小型的、超低功耗的應(yīng)用各種新興應(yīng)用呢，三星還沒有給出確切的回答。

10nm: TSMC已經(jīng)準(zhǔn)備好了

至于臺(tái)積電，其10nm工藝(CLN10FF)已經(jīng)有兩個(gè)工廠能夠達(dá)到合格要求，其大規(guī)模量產(chǎn)大概時(shí)間為2017年下半年。預(yù)計(jì)未來這兩個(gè)工廠每季度能夠生產(chǎn)上萬片芯片。臺(tái)積電希望能夠不斷增加產(chǎn)能，計(jì)劃在今年出貨40萬片晶圓。

考慮到FinFET技術(shù)冗長的生產(chǎn)周期，臺(tái)積電想要提高10nm工藝的產(chǎn)能來滿足其主要客戶的芯片需求，還需要很長的產(chǎn)能爬坡時(shí)間。那么蘋果如果想要使用采用這一工藝的芯片，為其今年九月或者是十月推出新手機(jī)進(jìn)行大量備貨，在前期還是非常困難的。

CLN10FF技術(shù)與CLN16FF+技術(shù)相比到底存在多少優(yōu)勢在臺(tái)積電內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行過多次討論，該工藝明顯是針對移動(dòng)設(shè)備使用的SOC的，而不是為普通的芯片廠商準(zhǔn)備的。在相同的功率和復(fù)雜性下，該工藝能夠提高50%的芯片密度。如果采用同一頻率和復(fù)雜性，同時(shí)降低40%的功耗，同樣能夠帶來20%的性能提升。

與三星不同的是，臺(tái)積電并不打算在10nm工藝上推出多個(gè)改進(jìn)型工藝。臺(tái)積電預(yù)計(jì)在明年直接推出7nm工藝。

7nm對于半導(dǎo)體制造工藝來說是非常重要的里程碑，吸引了很多設(shè)計(jì)者為之努力。

但是，臺(tái)積電的野心明顯不止于此，臺(tái)積電未來還打算推出多種專門針對超小型和超低功耗應(yīng)用的制造工藝。

超越10nm的臺(tái)積電：7 nm DUV 和 7 nm EUV

如前所述，未來臺(tái)積電的7nm工藝將會(huì)被應(yīng)用到數(shù)百家公司的數(shù)以千計(jì)的不同的應(yīng)用之中。

不過，臺(tái)積電最初的計(jì)劃并不是這樣。臺(tái)積電最初為7nm工藝設(shè)計(jì)了兩個(gè)版本：一種是針對高性能應(yīng)用的7nm工藝，一種是針對移動(dòng)應(yīng)用的7nm工藝。但是這兩種工藝都需要采用浸沒式光刻技術(shù)和DUV技術(shù)。經(jīng)過多次嘗試之后，臺(tái)積電最終決定引入更加先進(jìn)的制造工藝，將EUV技術(shù)引入7nm工藝中。這一方法可以說是從GlobalFoundries的制造工藝中得到的借鑒。

臺(tái)積電的第一代CLN7FF預(yù)計(jì)將會(huì)與2017年第二季度進(jìn)入試產(chǎn)階段，今年晚些時(shí)候可能推出樣片。而大規(guī)模的進(jìn)行生產(chǎn)則需要等到2018年第二季度。所以，我們?nèi)绻胍诋a(chǎn)品中見到采用7nm工藝的芯片產(chǎn)品，至少需要等到明年下半年。

與CLN16FF+相比，CLN7FF工藝將會(huì)使得芯片制造上在相同晶體數(shù)量的情況下，整體的體積縮小70%;而在相同的芯片復(fù)雜性情況下，將能夠降低60%的功耗或者是增加30%的頻率。

據(jù)了解，臺(tái)積電未來推出的第二代7nm工藝(CLN7FF+)，將會(huì)引入EUV技術(shù)，這就要求開發(fā)出針對7nm工藝重新設(shè)計(jì)的更多的EUV生產(chǎn)規(guī)則。改進(jìn)后的工藝預(yù)計(jì)可能縮小10-15~20%左右的晶圓面積，同時(shí)能夠提高性能，降低功耗。

此外，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)工藝相比，使用DUV工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠極大的縮短生產(chǎn)周期。

臺(tái)積電第二代7nm工藝(CLN7FF+)預(yù)計(jì)將于2018年第二季度進(jìn)行試產(chǎn)，2019年下半年能夠量產(chǎn)面市。

事實(shí)上，三大代工廠商在7nm工藝節(jié)點(diǎn)上都將會(huì)是使用EUV技術(shù)。但是ASML和其他EUV設(shè)備上想要真的將EUV技術(shù)投入商業(yè)應(yīng)用，至少還需要兩年的時(shí)間。

雖然在某些方面EUV可以實(shí)現(xiàn)，但是要真的應(yīng)用還需要等到2019年。但是，臺(tái)積電和三星都已經(jīng)在討論第二代EUV工藝了，從目前的情況來看，代工廠商對于EUV廠商的未來的設(shè)備進(jìn)度還是抱有非常大的信心的。

三星10m之后：8nm和6nm

三星的7nm制造技術(shù)被認(rèn)為是該公司首個(gè)使用EUV光刻量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，量產(chǎn)時(shí)間會(huì)在2019年或之后，但是試產(chǎn)會(huì)在2018年系半年。但是在接下來的幾年，一切會(huì)變得更加有趣。因?yàn)槿窃赗oadmap上公布了之前很少被提到的8nm和6nm制程。

三星官方表示，和現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)技術(shù)相比，這兩個(gè)新技術(shù)將會(huì)提供更好的擴(kuò)展性、性能和功耗優(yōu)勢，這就意味著新技術(shù)相比三星現(xiàn)在正在使用的14nm和10nm工藝性能更好是必然的。最重要的是，三星表示，8nm和6nm節(jié)點(diǎn)會(huì)分別繼承現(xiàn)有的10nm和7nm技術(shù)的優(yōu)勢。這就意味著8nm在一些關(guān)鍵層依舊使用DUV和多次曝光(三次或者四次，但三星方面并沒有確認(rèn)是否會(huì)用四次)，而6nm則是三星的第二代EUV技術(shù)。

現(xiàn)在關(guān)于三星8LPP制造技術(shù)唯一確定的是他們會(huì)使用DUV制程技術(shù)去縮小die的尺寸(增加晶體管密度)，同時(shí)擁有比10LPP更好的頻率表現(xiàn)?？紤]到新工藝對前任的技術(shù)技術(shù)，我們認(rèn)為8LPP會(huì)在2019年帶來更高性能的SoC生產(chǎn)。

由于三星計(jì)劃在2018年下半年試產(chǎn)7LPP，但直到2019年下半年前，還是沒辦法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。需要提醒一下，三星現(xiàn)在都是在十月份開始其先進(jìn)工藝的大規(guī)模量產(chǎn)，那么就意味著我們也許會(huì)在2019年秋天看到7LPP的大規(guī)模量產(chǎn)。但是8LPP會(huì)是三星當(dāng)年更先進(jìn)的工藝。三星并沒有提及其6nm工藝的時(shí)間線，也沒有透露太多關(guān)于此技術(shù)的信息。但我們可以肯定的是需要使用ASML的EUV工具(例如NXE:3350B)去處理更多的圖層，以求獲得更好的PPA。而據(jù)我們估計(jì)，真正的量產(chǎn)時(shí)間會(huì)在2020年之后。

在今年三月，三星只是簡單提了一些他們的10LPU、8LPP和6nm制程技術(shù)，但他們并沒有談及太多技術(shù)，甚至連PPA的提升目標(biāo)也沒有講到。增加了兩個(gè)DUV技術(shù)節(jié)點(diǎn)(10LPU和8LPP)意味著到2019至2021年間，EUV不會(huì)是所有應(yīng)用的最好選擇，這是非常合乎邏輯的。那么問題就回到，我們不知道DUV和EUV在EUV早期應(yīng)該以一種怎么樣的方式共存。

五月底，三星將會(huì)在美國舉辦FAB論壇，屆時(shí)我們也許會(huì)有更多機(jī)會(huì)去了解三星在FAB方面的計(jì)劃。但我們?nèi)绻氲玫礁嚓P(guān)于這些新技術(shù)的細(xì)節(jié)，也許還需要多等幾個(gè)月。

所以現(xiàn)在我們來討論一下那些沒那么先進(jìn)的技術(shù)吧，每年使用這些技術(shù)的產(chǎn)品銷量都會(huì)高達(dá)數(shù)億顆。

并不是每個(gè)人都需要先進(jìn)工藝：TSMC 22 nm ULP、12nm FFC和12 nm FCC+

現(xiàn)在，讓我們討論一下那些沒那么先進(jìn)，但是被銷量巨大產(chǎn)品采用的技術(shù)。

開發(fā)基于FinFET技術(shù)的芯片比平面晶體管貴得多，制造成本會(huì)高昂得多。事實(shí)上，F(xiàn)inFET也根本不適合那些需要多樣化方案的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)芯片開發(fā)者。

GlobalFoundries 和Samsung給他們提供了FD-DOI工藝。這個(gè)公司除了有更好的成本優(yōu)勢外，還有其他方面的優(yōu)點(diǎn)。TSMC也打算為這些應(yīng)用推出一個(gè)全新的22nm ULP工藝。CLN22ULP是該公司28nm HPC+工藝的一個(gè)優(yōu)化版本。相比于28nmHPC+，22ULP能降低10%的面積，提升15%的性能，功耗也能降低35%。22ULP是TSMC ULP家族的另一個(gè)新成員，這會(huì)和GlobalFoundries的22FDX和三星28nm FD-SOI競爭。

接下來就是TSMC 的CLN12FFC制造技術(shù)，這是該公司CLN16FFC工藝的優(yōu)化版本，能降低20%的面積?？梢钥吹降氖?，能帶來更高的晶體管密度。

CLN12FFC在相同功耗的情況下提供10%的頻率提升;而在時(shí)鐘頻率相同的情況下，能帶來25%的功耗減少。從Roadmap我們可以看到，TSMC技術(shù)啊提供一個(gè)擁有更低電壓的CLN12FFC，但這到2018或者2019年，都不會(huì)實(shí)現(xiàn)。