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台積電實現2nm工藝突破 1nm也沒問題

今年,雖然在9月份華為禁令生效之後,台積電失去了華為的大額訂單,但是空出來的產能立刻被蘋果高通等公司瓜分,並處在滿載生產狀態。疊加疫情下電子消費產品增長等因素,台積電將在今年迎來超過全球晶圓代工廠的產業成長率高出10%的增長。

特別是台積電領先其他晶圓代工廠的5nm7nm製程的營收占比超過43%,營收能力堪比「印鈔機」。與此同時,台積電在更先進位程的研發和設備投入上更加不遺餘力。

為應對新製程工藝產能擴大的需求,台積電已經向ASML訂購了新的13台極紫外(EUV)光刻機,要求在2021年全部交付。據估算,13套EUV可能使台積電花費高達22.84億美元。同時,台積電剛剛決定明年起大幅漲薪達20%,一方面為激勵員工,一方面為招攬人才、避免被其他對手高薪挖人,用真金白銀來留住那些願意繼續為造芯「爆肝」的工程師們。

在一片繁榮的商業前景之下,台積電在更先進位程的技術布局上面也保持著領先。據台灣媒體報導,近日台積電在2nm工藝製程上取得了重大突破,研發進度超越預期,有望在2023年下半年,風險試產的良率可以達到90%。

2nm已突破,1nm也沒問題

我們先從技術層面來看下台積電這次製程工藝的突破。

台積電在2nm製程工藝上的突破,來自於採用了全新的GAA電晶體架構。區別於3nm和5nm製程所採用的鰭式場效電晶體(FinFET)架構,這次2nm改用了全新的多橋通道場效電晶體(MBCFET)架構,這一架構是以環繞閘極(GAA)製程為基礎的架構,可以解決FinFETch因為製程微縮而產生的電流控制漏電等物理極限問題。

可以說,GAA製程工藝的出現,相當於又給摩爾定律續命了五年左右。摩爾定律說的是,每18到24個月,積體電路上可容納的元器件數目便會增加一倍,晶片的性能也會隨之翻一番。

我們知道,這個定律並非一定會發生的定理,而只是一個預測,這個預測是建立在半導體製程工藝能夠穩步提升的情況下,但現在半導體產業依賴FinFET架構,已經實現了7nm和5nm製程的晶片量產,很多人買到的最新的iPhone12、華為Mate40就採用的是5nm製程的晶片。

不過,隨著電晶體尺度向5nm甚至3nm邁進,FinFET本身的尺寸已經縮小至極限後,無論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限也使得電晶體製造變得難以完成。

現在,依託FinFET技術,台積電的晶片工藝製程的終點來到了3nm,再向下就遇到瓶頸。根據報導,GAA技術是2006年由科學技術研究院和國家奈米晶圓中心開發的一種基於全能門FinFET技術的電晶體,而三星正率先在3nm工藝上採用了基於GAA技術開發的MBCFET架構形態。出於穩健考慮,台積電則選擇在第一代3nm工藝將繼續用FinFET技術,而2nm工藝上採用了三星一樣的MBCFET架構。

台積電在新製程上的進展,將為新一代晶片的速度效能提升30%到40%,功耗則將降低20%-30%,相應的,新製程的研發成本將高達5億美元,相較於28nm工藝的0.6億美元的成本,確實是直線上升。

現在,台積電依靠在EUV微顯影技術和奈米片堆疊關鍵技術上的積累,使得2nm製程的開發良率提升進度超出預期。

根據台積電在最近召開的「2020世界半導體大會」的官方說法,晶片製程工藝將繼續推進,摩爾定律將在3nm、2nm、1nm上繼續適用。根據目前透露的消息,2nm晶片的生產布局,將在台灣新竹進行建設和研發。

多管齊下,為領先製程布下完整技術圖譜

從上面的技術介紹來看,台積電的2nm工藝採取的GAA製程架構,儘管並非自己研發,其在3nm製程上,還沒有三星激進地採用MBCFET架構,但想要發揮GAA架構優勢,就必須要看到台積電在保持工藝領先性和生產良率上的技術優勢和積累。

比如,以3nm工藝為例,台積電繼續採用FinFET架構電晶體設計,一方面正是由於其研發團隊將FinFET的性能提高到了新的高度,與5nm相比,3nm在速度上有10-15%的提升,功耗有25-30%的降低,而邏輯密度則提高了1.7倍,SRAM密度也將提升20%,另一方面是由於3nm可以在2022年下半年量產,這樣能讓下單客戶實現技術的快速升級,率先推出領先的產品。

從台積電的技術布局上,我們可以找出其在製程工藝上面的成功因素。

首先是其長期投入獲得領先的技術研發優勢。其次是台積電形成的長期的技術合作產業鏈。再就是對工藝流程的優化改造。此外,非常重要的一點就是台積電在特殊製程上的長期積累。

以上的一系列技術優勢,得益於台積電龐大的研發投入。據數據,近幾年,台積電每年的研發投入都達到100億美元。而台積電在技術路線上的領先布局和長期巨額的研發投入,實際上跟其所創立的Foundry代工廠創新模式有關,也和台積電本身的所處的地緣、產業機遇期有關。

專注投入和自主研發:台積電的技術領先心法

我們看到,台積電在3nm工藝的架構路線穩健推進和領先量產,以及在2nm工藝上的架構路線升級和順利推進,都源於其在整個半導體晶圓製造上的長期研發投入和技術積累。

而這給了我們一種錯覺,似乎完成這些動作就可以實現對半導體產業的主導,能又一次延續摩爾定律的神話。但實際上,這既有台積電創立之初所建立的獨特創新模式,也與台積電在幾次關鍵技術路口的正確選擇有關。

從這些關鍵因素和眾多的關鍵環節上,我們可以總結出台積電能夠取得先進工藝的技術領先的核心要點:

1、台積電開創的Foundry模式,使其能夠在半導體產業中保持「中立」立場,能夠和不同IC設計廠商進行通力合作獲得先進的設計方案,又能夠心無旁騖地將只專注到晶圓製造的各個工藝環節中,獲得了行業垂直分工的專屬優勢。

2、台積電在初期確立的自主研發的路線和不遺餘力的研發投入,先是擺脫了技術附庸的身份,又在後面一次又一次地擺脫技術專利的圍堵,以及實現領先工藝的反超。

3、除了自身努力的因素,台積電背後身處的美國半導體產業所主導的分工格局,以及蘋果、高通等公司為鉗制韓國、三星和台灣地區所給予台積電的支持密不可分。訂單和市場需求始終是推動先進工藝技術升級的最終驅動力。

責任編輯: 時方   來源:腦極體 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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