一年提升一個納米等級，制作高精度納米芯片的難度有多大？

去年，受疫情期間智能手機、汽車和游戲機的需求拉升，半導(dǎo)體板塊一路飆升，雖然今年以來半導(dǎo)體類股遭遇重創(chuàng)，但摩根士丹利分析團隊指出，隨著晶圓代工競爭格局的不斷演變，臺積電、三星和英特爾這三大巨頭依然值得關(guān)注。

7月25日周一，三星電子生產(chǎn)的全球首批3納米芯片產(chǎn)品出廠，這是自上月末開始批量生產(chǎn)以來，三星電子首次向客戶交貨。

三星電子在韓國京畿道華城廠區(qū)極紫外光刻(EUV)專用V1生產(chǎn)線舉行了適用新一代全環(huán)繞柵極(GAA)技術(shù)的3納米芯片產(chǎn)品出廠紀(jì)念活動。三星電子上月30日宣布全球首款基于GAA技術(shù)的3納米工藝半導(dǎo)體產(chǎn)品投入量產(chǎn)。

其計劃將GAA工藝的3納米芯片應(yīng)用于高性能計算(HPC)，并與主要客戶公司合作，擴大到移動系統(tǒng)芯片(SoC)等多種產(chǎn)品群。另外，繼華城廠區(qū)之后，三星電子平澤廠區(qū)也將擴大GAA工藝3納米芯片產(chǎn)品的生產(chǎn)。

不久前，華爾街見聞稍早文章還提及，三星正考慮未來二十年在美國得克薩斯州建立11家芯片工廠，投資總額可能接近2000億美元，并創(chuàng)造超過1萬個就業(yè)機會。

“芯片三國殺”中的英特爾也不甘示弱，英特爾與聯(lián)發(fā)科宣布建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系，英特爾將通過其晶圓代工事業(yè)部(IFS)向聯(lián)發(fā)科供應(yīng)芯片。聲明顯示，英特爾將為聯(lián)發(fā)科生產(chǎn)一系列設(shè)備所需的芯片。聯(lián)發(fā)科的芯片被用于亞馬遜Echo音箱以及Peloton Interactive Inc.自行車等眾多設(shè)備，現(xiàn)在將依靠英特爾的全球制造業(yè)足跡來更接近美國和歐洲的市場。英特爾晶圓代工事業(yè)部總裁Randhir Thakur稱，作為無晶圓廠晶片設(shè)計公司之一，聯(lián)發(fā)科每年驅(qū)動超過20億臺智能終端裝置，是該部門在進入下一發(fā)展階段時的絕佳合作伙伴;而英特爾擁有先進制程技術(shù)與位于不同區(qū)域的產(chǎn)能資源，可協(xié)助聯(lián)發(fā)科交付下波10億個跨多元應(yīng)用的連網(wǎng)裝置。

聯(lián)發(fā)科稱，與英特爾在5G數(shù)據(jù)卡合作后，將著眼快速增長的全球智能設(shè)備，進一步與英特爾展開成熟制程晶圓制造上的合作。聯(lián)發(fā)科還強調(diào)，公司采取多元供應(yīng)商策略，與英特爾的合作將有助于提升公司成熟工藝的產(chǎn)能供給，高端工藝則會持續(xù)與臺積電維持緊密伙伴關(guān)系，沒有任何改變。

無疑，此次合作對于英特爾在芯片代工領(lǐng)域與臺積電以及韓國三星電子的競爭來說是一項重大成就。英特爾首席執(zhí)行官Pat Gelsinger已將芯片代工作為重振芯片業(yè)務(wù)的一部分，另外還包括將現(xiàn)有芯片工廠現(xiàn)代化以及建設(shè)新工廠。

不過值得注意的是，本月英特爾已通知客戶稱2022年下半年將對半導(dǎo)體產(chǎn)品漲價。原因是受全球通貨膨脹影響，成本上漲。正如華爾街見聞·見智研究所分析的，一方面是成本傳導(dǎo)，另一方是英特爾在CPU市場極強話語權(quán)以及服務(wù)器等領(lǐng)域?qū)π酒杂休^高的需求，才使得公司具有漲價的底氣。中間三位大咖抱的可不是普通的「盤子」，而是剛從三星華城電子園區(qū)生產(chǎn)線上拿下來的3納米晶圓。

再看看周圍的其他團隊成員，笑得也相當(dāng)開心。而且他們比的不是剪刀手，而是代表著3納米的「3」。性能拉滿，能耗暴降,說起這個首次實現(xiàn)量產(chǎn)的3納米芯片，就不得不提到它背后的MBCFET技術(shù)。MBCFE突破了此前FinFET的性能限制，通過降低電源電壓水平來提高功率效率，同時還通過增加驅(qū)動電流能力提高了性能。

說起納米片晶體管和半導(dǎo)體芯片的應(yīng)用，三星這還是第一次。目的是為了實現(xiàn)高性能、低功耗的計算服務(wù)。最終能在移動處理器上也得以應(yīng)用。三星的總裁，兼代工業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Siyoung Choi博士表示，「我們一直都發(fā)展得很快。三星一直緊跟前沿的技術(shù)，然后想辦法把它們投入生產(chǎn)應(yīng)用。比如說之前的首個High-K金屬柵極、FinFET，還有EUV等等?！?

「現(xiàn)在，我們又是第一個研究MBCFET的。」三星的獨家技術(shù)應(yīng)用了有更寬的通道的納米片，和用通道窄一點的納米線的傳統(tǒng)GAA技術(shù)相比，不光提升了性能，還提高了能源利用率。不僅如此，應(yīng)用了3納米GAA技術(shù)，三星還能通過調(diào)整納米片的通道寬度，優(yōu)化功耗和性能，來滿足各類客戶的不同需求。此外，3納米GAA的設(shè)計非常靈活，簡直就是為設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(DTCO)量身打造的。我們主要看新技術(shù)應(yīng)用以后，芯片的功耗、性能和面積大小(PPA，Power、Performance、Area)三個維度來量化。

和5納米的工藝相比，第一代3納米工藝相比5納米降低了高達(dá)45%的能耗，提升了23%的性能，減少了16%的面積。光是一代的提升就已經(jīng)肉眼可見了。更不用說二代的PPA——功耗降低50%、性能提高30%、面積減少35%，比一代又優(yōu)秀了不知多少。良品率行不行?量產(chǎn)靠譜嗎?在外行眼里，能量產(chǎn)3納米的工藝可能已經(jīng)不敢想象了，但是也有分析師表達(dá)了其它的一些看法。來自大和資本市場的SK Kim表示，「三星能干成這件事，確實有意義。但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。量產(chǎn)只是第一步，你在能用它來生產(chǎn)主流芯片之前，比如手機CPU這種，不見得能多掙多少錢?！?

這其實是有根據(jù)的。4月份就有消息傳出來，說三星基于GAA的3納米工藝良率才在10%~20%之間，比預(yù)期低得多。三星需要付出更多的精力和成本來解決這個問題。5月份就再次傳出了3納米良率問題已得到解決的消息，6月初才又傳出來進入試驗性量產(chǎn)的說法。不過，有了4月的前車之鑒，業(yè)界很多專家都對三星3納米的真實情況打了個小小的問號。

據(jù)報道，6月22日，市場再次傳出了三星3納米芯片量產(chǎn)再一次推遲的消息，還是因為良率問題。而且，三星之前給別的大廠代工芯片還鬧出過不少笑話。最逗的可能就是當(dāng)時超級出圈的驍龍888，人送外號「大火龍」

這幾年人們對于芯片的關(guān)注度明顯提升，尤其是高精度的納米級芯片。目前，已知的手機芯片可以做到4納米的量產(chǎn)，就比如最近新發(fā)布的高通驍龍8+以及10月份要帶來的蘋果A16仿生芯片，都是4納米制作工藝，它們統(tǒng)一的特點就是性能強大。通俗地來講，我們可以理解為納米數(shù)越小，性能也越強，但這個觀點只是泛泛而談的，最主觀的感受。

制作高精度納米芯片的難度是非常大的，這里也要感嘆一下人們的研發(fā)能力，幾乎是一年提升一個納米等級。但是根據(jù)規(guī)律而言，再從4納米往下研究的話，每提升一個等級，難度就會加大100倍以上，而之前就有科學(xué)家表示人類最高能做到7納米芯片，而這項技術(shù)早早就被打破了。

目前，韓國三星電子對外官宣了自己旗下首款3納米芯片，并且可以支持量產(chǎn)，而中國的一家企業(yè)也會成為其第一個客戶。

首先要制作3納米芯片，最先要做的就是設(shè)計和開發(fā)，打破之前原有的設(shè)計圖紙，重新編輯。其投入資金、技術(shù)和人才成本都是難以估計的，并且就算設(shè)計出3納米芯片，也需要光刻機的加工制成，這兩項缺一不可，往往一次研發(fā)的費用動輒就是十幾億。所以，3納米芯片的研發(fā)和制作難度是非常大的。

直觀地來講，三星的這款3納米芯片較之前的5納米芯片在功耗上降低了45%左右，性能提升了23%，面積減小了16%。其實，如今芯片的性能已經(jīng)處于過剩的狀態(tài)了，最重要的就是如何讓芯片更加穩(wěn)定，功耗更小，增強續(xù)航的同時，也能減少發(fā)熱，讓設(shè)備正常地運轉(zhuǎn)下去。

而這次中國公司將成為首批客戶，這家公司就是中國礦機芯片公司。眾所周知，礦機對于芯片的要求能力非常高，不僅要求芯片有很強的性能，還要有穩(wěn)定的低功耗，如果功耗大，散熱能力又不強的話，輕則系統(tǒng)卡頓，重則機器直接報廢?？磥恚袌鲞€是非常相信三星3納米芯片技術(shù)的。就連高通也增加了訂單，以后就能在高通驍龍芯片上看到3納米芯片的身影了。

三星之所以能夠量產(chǎn)3納米芯片，原因就在于三星采用了MBCFET技術(shù)，這項技術(shù)也是基于晶體管的一種升級技術(shù)。能夠提升芯片的功率和電流，以換取更高性能的表現(xiàn)。

臺積電(TSMC)是世界上最先進的代工芯片制造商，控制著全球 54% 的芯片合同生產(chǎn)市場，蘋果和高通等沒有自己半導(dǎo)體設(shè)施的公司都是其客戶。

根據(jù)數(shù)據(jù)提供商 TrendForce 的數(shù)據(jù)，三星以 16.3% 的市場份額排名第二，去年該公司宣布了一項 171 萬億韓元(約 8840.7 億元人民幣)的投資計劃，以在 2030 年之前超越臺積電成為全球頂級邏輯芯片制造商。

“我們將在有競爭力的技術(shù)開發(fā)方面繼續(xù)積極創(chuàng)新，”三星公司代工業(yè)務(wù)主管 Siyoung Choi 說。

三星聯(lián)合首席執(zhí)行官 Kyung Kye-hyun 今年早些時候說，其代工業(yè)務(wù)將在中國尋找新的客戶，因為從汽車制造商到家電產(chǎn)品制造商的公司都急于確保產(chǎn)能，以解決全球芯片持續(xù)短缺的問題，它預(yù)計在中國將有高的市場增長。

雖然三星是第一個生產(chǎn) 3 納米芯片的公司，但臺積電正計劃在 2025 年實現(xiàn) 2 納米芯片的批量生產(chǎn)。

分析師說，三星是內(nèi)存芯片的市場領(lǐng)導(dǎo)者，但其在更多樣化的代工業(yè)務(wù)方面已經(jīng)被領(lǐng)先者臺積電超越，使其難以跟其競爭。在過去一年左右的時間里，三星與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者競爭的努力也因舊芯片的產(chǎn)量低于預(yù)期而受到阻礙。該公司在 3 月份表示，其經(jīng)營情況已顯示出逐步改善。