三強爭鋒先進製程工藝,誰將成為半導體行業未來領軍者?

半導體制造的工藝節點,涉及到多方面的問題,如製造工藝和設備,晶體管的架構、材料等。隨著製程的進一步縮小,芯片製造的難度確實已經快接近理論極限了。競爭也越來越激烈,臺積電、Samsung與Intel在先進製程發展的競爭關係備受市場矚目。

三家半導體加工廠商

晶圓代工是高門檻行業,沒有高利潤就無法投入資金用於先進製程的研發,沒有先進製程技術,客戶就會流失,先進製程成為難以輕易企及的市場,所以臺積電、英特爾、三星這樣真正有技術和服務能力的大廠形成近乎壟斷的市場地位。

芯片研發製造的基礎——晶圓代工廠領域,在未來數年內,有晶圓廠的IC設計企業,只有臺積電,三星和英特爾有能力提供大批量的先進產品,先進製程方面,聯電,格羅方德相繼落伍,格羅方德暫緩7nm製程的開發,專注獲利高的14/12nm製程,聯電也宣佈不再投資12nm以下的先進製程,中芯國際目前才剛投產14nm工藝,在芯片製造工藝上正形成三星與臺積電兩強之爭格局。

三強爭鋒先進製程工藝,誰將成為半導體行業未來領軍者?

英特爾依然是世界上最先進的芯片製造商,儘管他們在10nm節點遇到了困難,但問題的根源不是他們的技術問題,而是13-16年處於轉型期的英特爾高層決策失誤。現在看來,關閉Fab42工廠,縮減晶圓廠開支是不明智的行為,如果保留這個工廠,那麼英特爾產能有保證就會試產10nm。英特爾去年已經推出了商用的10nm芯片,i3 8121U,他們有能力生產。只不過產能已到極限,幾乎所有開工的工廠都處於滿負荷甚至超負荷狀態。

技術指標上,英特爾的10nm相當於臺積電的7nm。必須承認三星、臺積電已經追上來了,但他們並沒有構成優勢。三星、臺積電的芯片製程尺寸競爭,最大差距是堆積水平比不上英特爾。同樣面積的電路板,體積越小,可以堆的數量越多,要堆得多且不影響性能,製造工藝上,英特爾技術領先三星、臺積電。三星、臺積電的7nm在堆積密度角度看,至少還需要提升20-25%+才是實際英特爾10nm的水平。

在另一方向上的製程尺寸競爭中,近年發展勢頭良好的臺積電和傳統巨頭三星的較量呈現白熱化。根據臺積電公佈了2018年財務,整個2018年臺積電實現營收一萬億元新臺幣,淨利潤達3511.3億新臺幣,同期增長2.3%,創下了歷史新高。其中7nm的圓晶管比重最高,佔到總收入的23%,10nm為6%,16和20nm為21%,先進製程營收佔比達67%。

臺積電和三星產品方向上有不同戰略選擇。三星強在內存芯片,而臺積電主打的是邏輯 IC。內存是大量重複結構,複雜度上邏輯 IC 遠遠領先。在製程方面三星看起來似乎不輸臺積電。但實際上產能及良率差臺積電非常多。

三強爭鋒 臺積電的聲勢可能最高

全球半導體在先進工藝製程方面,呈現三足鼎立時代,英特爾、三星及臺積電。

目前臺積電的先進工藝持續按計劃進行,它的7納米EUV工藝將在2019年3月底量產,7納米加上7納米EUV工藝,估計至2019年底Tape out將超過100個,2019年下半年7納米貢獻將增速 ,受惠於手機新品出貨進入旺季及高速運算(HPC)產品開始小量出貨,7納米工藝2019年營收比重將可達25%,較2017年9%大幅提升,不過其中7納米EUV工藝比重仍相當低。

2019年蘋果A13處理器採用獨家代工供應商臺積電的內含EUV技術7納米,將吃下臺積電第3季大部分產能,意味著臺積電7納米產能利用率將大大提升。

以更先進的5納米工藝為主的12吋晶園廠Fab 18,總投資金額高達新臺幣7,500億元(250億美元),已確定在2019年第2季進入風險性試產,預計2020年可達量產,並已獲得大客戶的訂單。由於5納米工藝成本更為高昂,代工報價只有一線芯片大廠能接受,因此市場預估目前應只有蘋果與華為表態升級轉換意願。

但是非常明顯當製程工藝從10nm進入7nm甚至5nm之後,新工藝帶來的性能提升已經大不如從前,據臺積電數據顯示7nm相比10nm工藝具備1.6x晶體管密度、20%(晶體管)性能提升或者40%功耗降低,而5nm EUV相比7nm EUV工藝的話,基於ARM的Cortex-A72核心,5nm EUV工藝能夠帶來14.7%-17.1%的速度提升,及1.8到1.86倍密度提升。

三強爭鋒先進製程工藝,誰將成為半導體行業未來領軍者?

臺積電將投資190億美元,在臺南的園區內興建3納米芯片工藝的生產線,環評部門在2018年8月份也對其進行了首次評估,並在2018年12月19日獲得通過。

根據最初的安排,它的3納米工廠計劃在2020年開始建設,2021年完成全部設備的安裝,最快在2022年年底或2023年年初投入運營。至此臺積電可能是全球第一家宣佈要建3納米生產線。

EUV光刻機是關鍵一環

在這三家廠商的演進過程中,EUV光刻機是關鍵的一環,而臺積電、三星和英特爾三家均計劃在其生產路線圖中採用EUV。但臺積電無疑是EUV光刻技術的領先者。今年10月,臺積電宣佈其7nm plus(N7 +)節點已成為業界首個商業化的EUV技術。N7 +是他們的第一批在某些關鍵層採用EUV的工藝技術。

Arete Research高級分析師Jim Fontanelli也表示,臺積電在EUV領域處於領先地位,無論是所用的工具還是訂購的工具,生產的商用EUV晶圓的數量,還是將EUV集成到他們未來的路線圖中。

三強爭鋒先進製程工藝,誰將成為半導體行業未來領軍者?

據悉,今年臺積電的7nm(包括EUV)晶圓產能大概在10-11萬片/月。主要客戶有:AMD、海思、蘋果、高通、賽靈思、英偉達等。今年三星7nm LPP(EUV)工藝的晶圓產能大概在1萬張/月,只有臺積電的1/10左右。

三星在EUV上的佈局也很早,早在2018年10月,三星就利用其7nm EUV工藝技術開始大規模生產芯片。今年4月,三星宣佈已經完成了其第一代5nm製造工藝(5LPE)的開發,該製造技術使用極紫外光刻(EUVL),與7nm工藝(稱為7LPP)相比,可以提供顯著的性能,功率和麵積優勢。

三星預計,到2020年,5nm將成為其主要的EUVL節點,這可能是因為該技術能夠為多種應用提供眾多好處,而三星的EUV收益率將會更高,這主要是因為三星在華城建造EUV生產線後,在未來幾個月將擁有更多的EUV產能,該工廠耗資46.15億美元,預計2020年開始大批量生產。

這些年來,英特爾在EUV研究方面一直是最積極的。在最近的IEDM會議上,ASML首席執行官Martin van den Brink所披露的英特爾的工藝路線中,5nm被列為2023年的節點,大約在這個時候,ASML將開始銷售其“High NA”EUV機器,以幫助英特爾在製造過程中更好地定義路徑。

此前VLSI Research首席執行官Dan Hutcheson曾表示:“在這三家公司中,英特爾是一個謎,因為它沒有銷售方面的理由來宣傳自己在做什麼,而英特爾一向擅長把自己的litho工具推向一個節點。他們在確信EUV已經準備好投入生產之前不會宣佈。”

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