反超臺積電，三星3nm GAA工藝2022年上半年量產(chǎn)！2nm將于2025年量產(chǎn)
10月7日消息，在今日的舉行的“Samsung Foundry Forum 2021”論壇活動上，三星推出了全新的17nm工藝，并宣布將于2022年上半年量產(chǎn)3nm制程，更先進的2nm制程將于2025年量產(chǎn)。
推出全新17nm工藝
在此次論壇上，三星宣布推出了全新的17LPV工藝，即Low Power Value的17nm工藝。
實際上，17LPV工藝就是28nm工藝的演進版，其融合了28nm BEOL后端工序、14nm FEOL前端工序，也就是在28nm節(jié)點的基礎(chǔ)上，加入了14nm FinFET立體晶體管，只需不高的成本，就能享受后者的能效優(yōu)勢。
三星稱，17LPV工藝相比傳統(tǒng)28nm，芯片面積可縮小43%，可以帶來39%的性能提升或者49%的功耗降低。
三星17LPV工藝的量產(chǎn)時間沒有說，但三星已經(jīng)宣布第一個服務(wù)對象是ISP圖像信號處理器，屬于三星自家的CMOS傳感器產(chǎn)品線。
此外，三星還打造了14nm LPU工藝，即Low Power Ultimate，但并未透露詳情，可能也是28nm BEOL加上14nm FEOL。
為了在半導體制程工藝上追趕上臺積電，三星在3nm工藝的研發(fā)當中就率先引入了全新的GAA（Gate-all-around，環(huán)繞柵極）技術(shù)，并計劃于2021年下半年領(lǐng)先臺積電量產(chǎn)3nm。雖然在今年上半年，三星宣布其3nm GAA工藝已成功流片（Tape Out），但是在“Samsung Foundry Forum 2021”論壇活動上，三星表示轉(zhuǎn)移到全新的GAA技術(shù)難度很高，3nm制程將推遲到2022年上半年量產(chǎn)。
從目前的信息來看，三星3nm的客戶將包括手機芯片大廠高通、服務(wù)器芯片廠商IBM、GPU芯片廠商NVIDIA，以及三星自家的旗艦芯片。
雖然三星3nm的量產(chǎn)時間相比之前的規(guī)劃有所延后，但是由于其率先將GAA工藝引入到了3nm當中，這也使得其3nm的性能有望領(lǐng)先于臺積電依然基于FinFET（鰭式場效應晶體管）工藝的3nm工藝。
傳統(tǒng)的平面晶體管（Planar FET）通過降低電壓來節(jié)省功耗，然而，平面晶體管的短溝道效應限制了電壓的繼續(xù)降低，而FinFET的出現(xiàn)使得電壓得以再次降低，但隨著工藝的繼續(xù)推進，F(xiàn)inFET已經(jīng)不足以滿足需求。于是，GAA技術(shù)應運而生。
如下圖，典型的GAA形式——GAAFET是（Gate-all-around FETs）采用的是納米線溝道設(shè)計，溝道整個外輪廓都被柵極完全包裹，代表柵極對溝道的控制性更好。相比之下，傳統(tǒng)的FinFET 溝道僅3 面被柵極包圍。GAAFET 架構(gòu)的晶體管提供比FinFET 更好的靜電特性，可滿足某些柵極寬度的需求。這主要表現(xiàn)在同等尺寸結(jié)構(gòu)下，GAA 的溝道控制能力強化，尺寸可以進一步微縮。
不過，三星認為采用納米線溝道設(shè)計不僅復雜，且付出的成本可能也大于收益。因此，三星采用了全新的GAA形式——MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效應管），采用多層堆疊的納米片來替代GAAFET中的納米線。
三星表示，MBCFET可以在保留所有GAAFET優(yōu)點的情況下，最小化復雜度。同時，MBCFET的設(shè)計可以兼容之前的FinFET技術(shù)，可以直接將為FinFET的設(shè)計遷移到MBCFET上，在不提升面積的情況下，提升性能。
在此次論壇上，三星表示，與其5nm制程相較，三星首個3nm GAA 制程技術(shù)將使得芯片面積可再減少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。除了功耗、性能和面積(PPA) 上改進，隨著制程技術(shù)成熟，3nm良率將會接近4nm制程。三星預計2022 年推出第一代3nm 3GAE 制程技術(shù)，2023年推出更新一代的3nm 3GAP 制程技術(shù)。
2025年量產(chǎn)2nm
由于GAA技術(shù)可以復用在2nm技術(shù)當中，因此，這也使得三星后續(xù)的2nm技術(shù)研發(fā)能夠事半功倍。三星在此次論壇上也首次披露，其更先進的2nm技術(shù)將會如期在2025年量產(chǎn)，并于2026年開始有大量基于三星2nm的產(chǎn)品上市。
三星表示，其2nm制程技術(shù)將使芯片性能、能效進一步提升，繼續(xù)推進電子產(chǎn)品的小型化。
三星3nm將反超臺積電，英特爾將在2nm上領(lǐng)先？
相比于三星在制程技術(shù)的激進，臺積電則穩(wěn)扎穩(wěn)打，其3nm工藝將會繼續(xù)采用成熟FinFET技術(shù)，并計劃于2022年年中左右量產(chǎn)。雖然此前有傳聞稱臺積電的3nm工藝可能也將會延遲。不過，臺積電表示，“一切依時程進行”。
另外，據(jù)此前外媒的爆料顯示，臺積電對于更為先進的2nm工藝在2023年年底的風險試產(chǎn)良品率達到90%非常樂觀。據(jù)此推測，臺積電的2nm工藝有望將在2024年量產(chǎn)。
值得注意的是，今年3月英特爾已宣布重啟晶圓代工業(yè)務(wù)，并且7月的“英特爾加速創(chuàng)新：制程工藝和封裝技術(shù)線上發(fā)布會”上，公布了英特爾工藝制程的全新命名方式（與臺積電的制程工藝命名比照），并宣布在2023年下半年量產(chǎn)基于FinFET技術(shù)的Intel 3（相當于臺積電3nm制程工藝），相比前代的Intel 4，Intel 3 每瓦性能上實現(xiàn)約18%的提升。同時，英特爾還將會在2024年量產(chǎn)基于PowerVia和RibbonFET（GAA）技術(shù)的Intel 20A（相當于臺積電2nm制程工藝）。此外，英特爾還透露將會在2025年推出Intel 18A制程。
目前在晶圓代工市場，特別是在先進制程的競賽當中，所需要的研發(fā)資金投入以及產(chǎn)線建設(shè)成本是越來越高。為此，在該領(lǐng)域目前也只剩下了臺積電、三星和英特爾這三家廠商在競爭。
根據(jù)此前的資料顯示，三星計劃在2030年之前投資133萬億韓元（約合1160億美元），以期成為全球最大的半導體代工企業(yè)。臺積電也計劃在未來三年內(nèi)投入1000億美元。英特爾在重啟晶圓代工業(yè)務(wù)之后，也宣布了超過1000億美元的投資計劃，比如在美國投資200億美元建設(shè)兩座晶圓廠，未來10年在歐洲投資800億歐元建設(shè)至少兩座晶圓廠等。
從資金的投入規(guī)模來看，作為目前的全球晶圓代工市場的龍頭老大，臺積電的在晶圓代工領(lǐng)域的資金投入無疑是最大的。而重啟晶圓代工業(yè)務(wù)的英特爾也是來勢洶洶。在此背景之下，三星的晶圓代工業(yè)務(wù)自然也將是面臨著更大的壓力。
不過，從前面3nm工藝量產(chǎn)時間節(jié)點來看，三星有望在3nm上實現(xiàn)對于臺積電的反超，并且繼續(xù)領(lǐng)先于英特爾。而在之后的2nm制程工藝節(jié)點，英特爾有望實現(xiàn)對臺積電和三星的反超，重新引領(lǐng)全球半導體制程工藝技術(shù)。但是，鑒于英特爾此前曾多次跳票的歷史，外界對其在2024年量產(chǎn)2nm超越臺積電持懷疑態(tài)度。
編輯：芯智訊-浪客劍
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