台积电5nm技术即将到来,启动2nm工艺研发

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电工电气网】讯

台积电率先量产7nm+工艺后,再出新动作。

现如今,晶圆代工行业可分为两档,台积电一档,其他公司一档。在台积电积极发展采用EUV技术的第2代7纳米制程后,传闻5纳米制程将于2019年4月试产。台积电凭借技术与庞大资本支出所铸成的“氮气加速系统”,让其竞争对手望尘莫及。

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第一代7nm让台积电正式领跑今年上半年,纯代工领域的订单量上,台积电占了全球56%。随着AMD、苹果A13的青睐,台积电有望将优势扩大到60%。而对手三星、GF、联电、中芯国际都不到10%。台积电2018年的收入也大幅攀升,远超去年的1万亿新台币。台积电最早是从2微米、3微米开始做,如今在10nm之后,最新7nm工艺也已量产出货,苹果新推出的A12仿生处理器就是由台积电独家代工制造。与之前的10nm
FinFET制程相比,7nm
FinFET实现1.6倍的逻辑密度,20%的速度提升,以及40%的功耗减少。在7nm技术路线的选择上,台积电务实地在第一代放弃EUV,同时上马整合扇出封装技术提升可靠度,最终使得自己的进度事实超越三星,从而赢下包括华为、AMD、苹果等一众关键客户。

日前,台积电官方宣布,正式启动2nm工艺的研发,工厂设置在位于台湾新竹的南方科技园,预计2024年投入生产。

EUV加持,第二代7nm又甩开老对手三星一个山头半导体先进制程进到10纳米之下,微缩技术更加复杂,牵扯设计已经不止电路线设计,还有光刻、晶体管架构与材料等等,也让EUV极紫外光光刻成为关键技术。过去半导体生产使用波长193纳米的深紫外曝光,但制程发展到130纳米时便有行业人士提出,需用极紫外光刻。EUV成为7纳米的关键技术,也是台积电、三星两大厂商技术竞逐的节点。材料供应商分析指出,导入EUV制程可以减少30个掩膜,至少能省下一个月的制程时间,进一步探讨EUV的技术脉络,为了要制造出EUV的波长电浆,必须将锡融化之后,用每秒约5万颗频率滴在真空腔体中,然后用激光以每秒10万次发射频率将液态锡蒸发成电浆,以产生EUV所需要的波长,因此激光所需要的功率以及轰击锡珠精准度,就成为EUV制程技术的“bottleneck”。

不过台积电方面并没有给出2nm工艺所需要的技术和材料,看晶体管结构示意图和目前并没有明显变化。但是按照台积电给出的指标,2nm工艺是一个重要节点,Metal
Track和3nm一样维持在5x,同时Gate Pitch缩小到30nm,Metal
Pitch缩小到20nm。也就是说,2nm制程相比于3nm要小了23%。

在第二代7nm工艺(CLNFF+/N7+),台积电将首次应用EUV,不过仅限四个非关键层,以降低风险、加速投产,也借此熟练掌握ASML的新式光刻机Twinscan
NXE。相较于第一代7nm DUV,第二代7nm
EUV具体改进程度公布得并不多,台积电只说能将晶体管密度提升20%,同等频率下功耗可降低6-12%。

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面对咄咄逼人的台积电,三星也在全力以赴,正在开发自己的InFO封装技术,并宣称将在下半年量产7nm
EUV。不过,在良品率和质量上,三星7nm
EUV工艺仍存在风险。如今,台积电在7nm
EUV工艺上成功完成流片,证明了新工艺新技术的可靠和成熟,为后续量产打下了坚实基础,同时也进一步拉开了与竞争对手三星之间的差距。

能在硅半导体工艺上继续精深到如此地步堪称奇迹。当然,在量产2nm之前,台积电还要接连经历7nm+、6nm、5nm、3nm等多个工艺节点。其中,7nm+首次引入EUV极紫外光刻技术,目前已经投入量产;6nm只是7nm的一个升级版,明年第一季度试产;5nm全面导入极紫外光刻,已经开始风险性试产,明年底之前量产,苹果A14、AMD五代锐龙(Zen
4都有望采纳);3nm有望在2021年试产、2022年量产。

全程EUV!5nm将于明年四月风险试产

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根据《EETimes》报导指出,就在台积电积极发展的第2代采用EUV技术的7纳米制程开始进行投片同时,更新一代全程采用EUV技术的5纳米制程也将于2019年的第2季进行风险试产。而且,台积电也已经与包括Cadence在内的4家合作伙伴达成协议,共同支持后段芯片设计的线上服务工作,以借由云端的服务的机制,缩短芯片设计时间,并且进一步扩大芯片设计工具的范围。

台积电数十年纳米工艺研发路

报导指出,相较于第二代使用EUV技术的7纳米制程可以处理4片掩膜来说,台积电的5纳米制程将可一次处理14片掩膜,降低生产掩膜的成本。另外,台积电还以Arm
A72核心进行生产测试,5纳米制程所生产的芯片,将达到14.7%~17.7%的速度提升,以及减少1.8%
~1.86%的芯片面积。号称可比初代7nm工艺晶体管密度提升80%,从而将芯片面积缩小45%,还可以同功耗频率提升15%,同频功耗降低20%。

在半导体行业,谁能够率先突破半导体工艺制造的瓶颈,谁就能迅速占领市场。而台积电,尽管不自己设计芯片,但是却凭借着先进的制程工艺,依旧跻身于世界芯片巨头的阵营。有了先进的制程工艺,那么芯片自然就能设计的更加复杂,芯片性能得到进一步提升的同时,功耗也会更低。

台积电指出,虽然制程技术节点的提升,能为芯片中增加更多的晶体管,但是却也带来生产成本的大幅提升。其中,5纳米制程中包括人工与知识产权的授权费用,其加起来的总合成本将高达2到2.5亿美元,比7纳米制程的1.5亿美元大幅成长,而这也会是未来发展半导体制程,门槛越来越高的原因。

不得不说,作为晶圆代工产业的开拓者,台积电变革了整个产业。

在联电与格芯相继搁置7纳米及其以下先进制程的研发之后,目前在先进制程研发的路上仅剩下台积电、三星、英特尔等少数公司。只是,英特尔在10纳米制程节点上遭遇瓶颈,预计要到2019年底才会推出的情况下,在先进制程的这条路上,也只有三星能看见台积电的尾灯了。

2008年台积电完成了40nm工艺产品交付,首次展示了其32nm代工技术。台积电也成为全球首个宣布28nm为全工艺节点的代工厂。

至此,台积电在晶圆代工行业的老大哥地位坐实,而唯一有竞争力的三星想要超车也难乎其难。

2009年,台积电实现了40nm量产和28nm的开发,并且开始在20nm上部署研发以确保代工上的领先优势。

2012年,台积电20nm
FinFET产线正在建设中,已经开始接受客户20nm工艺的试产,16nm进入定义和研发阶段。

2013年,引入FinFET,开始了10nm工艺的研发。

2014年,7nm技术进入了高级开发阶段。

2016年,10nm成功量产了客户产品,7nm完成了技术认证。

2017年,台积电继续在尖端工艺技术方面取得重大进展,10nm工艺订单以创记录的方式激增,已经占据晶圆代工总收入的10%,7nm开始从研发走向了生产。

目前,最新的消息称,台积电正在冲刺5nm生产,已要求设备供应商今年10月以前将产能布建到位,预计明年首季量产,苹果将是第一个导入量产的客户。台积电确定会是全球第一个提供5nm量产服务的晶圆代工厂,台积电总裁魏哲家稍早表示,已宣布推出5nm先进制程设计套件平台,等于向全球宣示台积电在5nm晶圆代工领先全球,未来在3nm也将维持领先。

芯片巨头攻占市场,纳米工艺或是最终王牌

在半导体领域,制程工艺并不是衡量技术的唯一标准,而是以半导体内每平方毫米的晶体管数量为准。

虽然目前台积电和三星均已成功研制出了7nm工艺,但其内晶体管密集程度并不如英特尔的10nm工艺,英特尔的10nm工艺每平方毫米可容纳100.8MTr,而台积电的7nm工艺每平方毫米只可容纳96.5MTr,相较于英特尔的制造工艺来讲还有一定的差距。截至2019年1月,英特尔的10nm技术依然领先于台积电和三星的7nm技术。

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但由于英特尔的10nm还没有大规模生产,显然台积电的7nm是目前市场上的大赢家。

英特尔是全球第二大芯片制造商。由于其10nm工艺的一再延迟,英特尔在半导体市场的领先优势已被赶超。目前英特尔10nm可能在2019年末进入批量生产。早在2018年12月,英特尔宣布他们正在开发7nm工艺,并且正在按计划进行。英特尔7nm工艺将使用EUVL制造,预计晶体管密度将达到242
MTr /mm,是10nm工艺的2.4倍。

2017年7月,三星取代英特尔成为全球最大的芯片制造商。对于几乎相同的工艺节点,三星芯片的晶体管密度与TSMC相当。三星为高通、苹果、Nvidia和许多其他厂商生产芯片,并且还将其14nm工艺许可给GlobalFoundries。

三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技术生产了7nm芯片,目前已进入批量生产。迄今为止,三星制造的芯片已经可以使用
7nm
工艺;但它也没有止步于此,仍在持续不断地对7nm进行改进,将电路缩小到6nm,5nm,甚至4nm;不过,三星现阶段的最终目标是利用GAA技术将电路缩小到3nm。

使用GAA(Gate-all-around
环绕栅极)工艺取代FinFET工艺,以增强晶体管性能,这样芯片面积减少45%,性能将提高35%,同时使能耗降低50%。在处理器制造的辉煌时期,新一代技术将带来更小、更快的芯片,而不会增加功耗。如今,这三种好处很难兼得。3nm的成本也可能让人望而却步,但据了解三星相关负责人对
3nm 的前景感到乐观,他表示成本正在逐步下降。

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在世界各大半导体公司中,榜首一直被英特尔和三星占据,台积电只能挤进前十,还有德州仪器、AMD、东芝等强劲对手,但若是2nm工艺研发率先取得成功,或可一举占据市场份额,跻身世界前列也或有可能。

目前看来,台积电的眼光不局限于3nm,而是放的更为长远,率先进行2nm工艺的研发。这也将代表中国半导体制造的最高水平发展方向,若是能在半导体阵营率先完成2nm工艺研发,对于台积电本身有着更好的市场份额抢占的竞争力,对于中国,也将是迈进半导体行业发展的坚实一步。

图片来源于网络

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