【導讀】集成電路的成功和普及在很大程度上取決于IC制造商是否有能力繼續以相對低的功耗提供更高的性能。隨著主流CMOS工藝達到理論、實踐和經濟極限，降低IC成本不可避免地與不斷增長的技術和晶圓廠制造規程緊密相連。
圖源：H_Ko/AdobeStock
在代工行業，采用先進的工藝節點更能帶來明顯的成本競爭優勢。2020年，臺積電（TSMC）是業界唯一同時使用7nm和5nm工藝節點用于IC制造的企業，此舉也使得TSMC每片晶圓的總收入大幅增加，達到1634美元。這一數字比GlobalFoundries高66%，是UMC和中芯國際的兩倍多。據稱，當年曾有16家年收入超過10億美元的頂級無晶圓IC供應商排隊等候使用這些最先進的工藝制造其最新的設計。除了代工和邏輯IC制造，三星（Samsung）、美光（Micron）、SK海力士（SKHynix）和Kixia等存儲器供應商也將先進的工藝用于DRAM和閃存器件的制造，以實現芯片成本和性能的優化。
然而，縱觀整個行業近些年的發展，無論器件類型如何，在巨大的研發投入面前，集成電路行業內目前只有極少數公司有能力持續開發前沿工藝技術。
半導體技術節點的演進史
65nm、28nm、10nm、7nm……，這些有關半導體技術（工藝）節點的名詞正在成為耳熟能詳的行業熱詞，而每一個名詞的背后都代表著半導體晶圓廠數十億甚至數百億美元的投資。傳統上，技術節點常常用來表征晶體管的柵極長度。今天，這些技術節點基本上演變成一個營銷名稱。
回顧過去20多年的發展歷程，半導體技術節點的路線圖走過了這樣一個過程：
發展史
● 1997年，大多數領先的半導體企業引入了250nm工藝節點；
● 1999年，英特爾（Intel）、德州儀器（TI）、IBM和TSMC推出180nm工藝節點；
● 2001年，僅僅兩年后，這幾家公司又推出了130nm節點；
● 2004年，AMD、英飛凌（Infineon）、TI、IBM和TSMC推出90nm工藝節點；
● 2006年，Intel、AMD、IBM、UMC、Chartered Semiconductor（特許半導體）和TSMC推出了65nm技術節點；
● 2008年，松下、Intel、AMD、IBM、英飛凌、三星、中芯國際和Chartered Semiconductor推出了45nm工藝節點；
● 2014年，Intel向消費者交付了首批14nm級設備；
● 2017年，三星首次發布了其10nm工藝節點版本；同年，TSMC宣布從2018年開始生產7nm技術節點產品。
圖1：全球半導體技術節點演進路線圖
（圖源：anysilicon）
英特爾：重命名技術節點，開啟全新A時代
在英特爾2022年投資者會議上，首席執行官帕特·基辛格在演講中宣布了公司主要業務部門的產品路線圖和關鍵執行里程碑，其中也包括英特爾的代工服務。
在新工藝方面，英特爾公布的路線圖將延伸至2025年，同時勾勒出該公司未來工藝節點的年度目標，從標準納米級技術到難以置信的A級（angstrom-class）晶體管。英特爾還透露了A級技術的第一個細節，比如RibbonFET——自FinFET問世十年來的又一個新的晶體管設計，以及PowerVia——一種將晶體管夾在布線層之間的新型背面電源傳輸技術。
此外，英特爾還再次更改了其工藝節點的命名方案，新的命名方式將與TSMC等外部代工企業使用的命名相匹配。英特爾的10nm增強型SuperFin現在將改名為“Intel7”，傳統的公司名 + “nm”后綴這種技術節點命名方式將不再使用。為此，英特爾后續所有的技術節點名稱也將調整，英特爾的7nm將變為“Intel4”，依此類推。
其實，英特爾重新命名其工藝節點的決定頗有些無奈。英特爾在10nm節點上的失誤導致了一系列的修改和隨后三個節點的延遲，同時也失去了在行業內的工藝領導權。盡管在3nm工藝節點上TSMC的確領先英特爾，但英特爾的節點命名方案在一定程度上錯誤地放大了和TSMC的差距。目前，從基于晶體管密度角度來看，英特爾的10nm更類似于臺積電的7nm，而英特爾的7nm與臺積電5nm相當，因此做出命名調整還是有意義的。
隨著第12代Intel Core處理器的推出，表明Intel 7已正式量產。研發中的Intel4采用了極紫外（EUV）光刻技術，預計于2022年下半年投入生產，采用該工藝后，每瓦晶體管性能將提高約20%。后續的Intel 3使得每瓦性能進一步提高18%，預計于2023年下半年投入生產。憑借RibbonFET和PowerVia，Intel 20A有望實現每瓦性能提高15%，基于英特爾公布的路線圖，預計將在2024年上半年投入生產準備。Intel 18A則再次將每瓦性能提高10%，預計2024年下半年投入生產。
依據公司制定的戰略目標，到2025年，英特爾有望恢復晶體管每瓦性能的行業領先地位。由于英特爾對其高NA EUV、RibbonFET、PowerVia、Foveros Omni和Direct等技術報有很高的期待，因此其領導者認為，半導體技術創新沒有盡頭，摩爾定律也沒有盡頭。
圖2：英特爾全新的技術節點發展路線圖
（圖源：Intel）
三星：完善GAA芯片技術，2027年計劃推出1.4nm芯片
三星是最大的內存芯片制造商，該公司還經營代工業務，為其他公司制造半導體芯片。今年早些時候，三星首開行業先河開始生產3nm芯片（3GAE）。該公司在解決方案中采用了Gate All- Around（GAA）晶體管架構，新的架構比FinFET架構帶來了性能和功耗方面的改進，芯片尺寸更小。
在繼續提高3nm GAA解決方案的性能和功率效率的同時，三星還計劃在2024年推出第二代3nm芯片（3GAP），并在2025年推出Plus迭代（3GAP+）。根據三星自己釋放的信息，其第二代解決方案比第一代解決方案的芯片尺寸小20%，功耗也更低。
3nm工藝技術引入量產后，三星的下一步驟是：進一步增強基于GAA的技術，計劃在2025年引入2nm工藝，2027年引入1.4nm工藝。屆時，其先進半導體的生產能力將比今年增長三倍以上，但三星并沒有透露這些先進的解決方案將帶來哪些性能上的改進。
圖3：三星用于其3nm技術節點的GAAFET，與5nm FinFET工藝相比，可將功耗降低45%，性能提高23%（圖源：Samsung）
關于GAA芯片技術，為方便大家理解，在這里我們稍作解釋。當半導體工藝節點不斷微縮，尤其是5nm之后，相繼出現了3nm、2nm、1.4nm、1nm。然而，新的問題同時出現，原來的3D FinFET晶體管將無法應對極限微觀世界的技術要求，因鰭片距離太近，漏電流變大，物理材料的極限讓3D FinFET晶體管的結構很難形成。這時，我們開始頻繁地聽到GAA這個新名詞。
GAA全稱Gate-All-Around，是一種環繞式柵極技術晶體管，也叫做GAAFET。它的概念由比利時的研究人員于1990年在公開發表的文章中首次提出。GAAFET相當于3D FinFET的改良版，這項技術下的晶體管結構又一次發生改變，柵極和漏極不再是鰭片的樣子，而是變成了一根根的“小棍子”，垂直穿過柵極，這樣，柵極就能實現對源極、漏極的四面包裹，解決了原來因鰭片間距過小帶來的問題。
臺積電：目標明確，2024年N3E，2026年N2
臺積電（TSMC）是全球第一大半導體代工企業，于今年9月份開始批量生產3nm芯片（N3工藝），這是在三星首次開始大規模生產3nm芯片三個月后發生的。預計兩家企業將會在快速提高3nm工藝產量上展開激烈競爭，以確保贏得高通（Qualcomm）和英偉達（Nvidia）這樣的大客戶訂單。
從多家媒體報道的信息看，蘋果公司是臺積電使用N3工藝進行大規模量產的第一個客戶，蘋果MacBook Pro的M2 Pro芯片是第一款使用該工藝制造的產品。除了M2 Pro芯片外，iPhone 15 Pro系列的A17仿生芯片，以及用于MacBook Pro的下一代M3芯片，均會使用臺積電的N3工藝。臺積電的N3將帶來比N5更高的全節點性能，包括10%-15%的性能，25%-30%的功耗，以及高達1.7倍的邏輯晶體管密度。為此，它使用了14個以上的極紫外（EUV）光刻層（N5使用最多14個），并將為深紫外（DUV）光刻層引入某些新的設計規則。雖然臺積電的N3工藝技術設計用于高性能計算（如CPU、GPU、FPGA、ASIC等）和智能手機，但該節點的工藝窗口比較窄，難以達到芯片開發人員預期的規格。為了解決這一問題，臺積電又開發了N3E版本的技術，拓寬了工藝窗口。
在3nm工藝之前,臺積電的技術一直領先于三星。但在3nm工藝方面，三星電子憑借GAA結構實現了反超。三星表示，與5nm鰭狀場效應晶體管（FinFET）工藝相比，GAA技術可以將功耗降低45%，性能提高23%。而臺積電的3nm工藝基于FinFET工藝，與5nm工藝相比，預計速度提高約10%至15%，功耗降低30%。
當然，市場優勢的體現是多方面的，技術只是其中之一，關鍵還要看量產能否達到商業要求。因此，在3nm代工業務中，誰是贏家取決于誰首先達到了預期的量產良率。根據臺積電的計劃，公司將繼續升級3nm工藝，并在2023年年中之后全面啟動第二代3nm工藝（N3E）。三星電子計劃在2024年推出第二代GAA 3nm工藝。無論如何，在3nm工藝節點上，英特爾很顯然已經落后于三星和臺積電這兩家企業了。
圖4：臺積電近年新節點發展情況
（圖源：AnandTech）
有關未來的研發計劃，臺積電在其官網上有公開的表態，大意是這樣的：為了保持和加強臺積電的技術領先地位，公司計劃繼續加大研發投入。對于先進的CMOS邏輯，公司的3nm和2nm CMOS節點仍在開發中。此外，公司的探索性研發工作重點將放在超過2nm的節點以及3D晶體管、新存儲器和低R互連等領域。
技術進步及行業展望
SEMI在其最新發布的《2025年300mm晶圓廠展望》報告中宣布，全球300mm晶圓廠的產能在2025年將達到新高。預計全球半導體制造商將在2022年至2025年間以近10%的復合平均增長率（CAGR）擴大300mm晶圓廠產能，達到每月920萬片的歷史新高。其中，中國300mm前端晶圓廠產能的全球份額將從2021年的19%增加到2025年的23%，達到230萬片。屆時，中國的300mm晶圓廠產能將接近全球領先的韓國。
IC Insights表示，到2022年底，半導體行業的資本支出增長將達到21%。這一增長率雖低于去年的35%，也低于今年早些時候24%的預測，但需要注意的是，半導體行業資本支出已連續第三年以兩位數的百分比持續增長，上一次出現這種情況要追溯到1993年至1995年。
圖5：全球半導體行業的資本支出情況分析
（圖源：IC Insights）
一方面是市場上晶圓產能需求的不斷增加，另一方面是資本支出的逐漸萎縮，為什么會出現這樣的矛盾呢？早些時候，IC Insights的分析師曾預計今年半導體行業的資本支出將增至1,904億美元，但困難的宏觀經濟條件和一些細分市場出現的產能過剩危機，能夠增長21%實屬不易。在半導體行業大干快上的當下，資本支出減少這一趨勢值得市場參與者們仔細評估。
在代工市場，可以預見的是，臺積電將在相當長一段時間內領先于競爭對手。去年3月英特爾提出了“IDM2.0”戰略，期望通過對外代工服務盤活企業的資產。目前，英特爾的代工業務Intel Foundry Services（IFS）也公司是營收增長最快的業務。不過，英特爾的首席財務官曾公開表態證實，英特爾的10nm工藝節點不如22nm那么賺錢。三星的代工業務傳統上在產能方面要落后于臺積電，因為他們更傾向于優先考慮母公司和戰略客戶的訂單。當然也不能說臺積電就是高枕無憂了，未來仍充滿著挑戰，他們的工程師們必須在N3及以后的技術節點上上保持著持續的技術領導力。
在技術節點上，盡管使用臺積電N3工藝的芯片最快可能需要等到2023年第一季度，但N3工藝量產很可能就在2022年第四季度實現。雖然三星在3nm技術節點上開始使用GAA結構晶體管，但事實上三星也未能按照計劃提前完成。根據三星目前的公開數據，其最早的3nm工藝可能在技術層面仍面臨很多不確定性。至于Intel 3，它的量產基本趕不上2022年這班車了。也許我們可以寄望于2024年上半年的Intel 20A以及2025年下半年的Intel 18A的進程，也希望英特爾能夠借此恢復其技術領先地位。
來源：Mouser
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