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谁将成为下一代领导者?晶圆代工厂商竞合策略解读

2017-05-02 11:13
龙凰
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晶圆代工争霸战 第三篇 :台积电VS三星

台积电和联电拉开分水岭的关键,在于 2000 那年联电采信了 IBM… 等等!IBM 支持的 Gate-First 技术是哪裡不好?

Intel 说:安安,信我者得永生。IBM 的 Gate-First 太烂,我拥护的 Gate-Last 才是真理!也让后续台积电和三星纷纷从 Gate-First 转向Gate-Last 技术后,彼此在 14 与 16 纳米上继续互搏。

很多台湾媒体都说三星的转向,与台积电叛逃的技术战将梁孟松很有关系… 真的是这样吗?

看完本篇文章,您将获知:

梁孟松是何许人也?

什么是HKMG?

IBM 的 Gate-First 与 Intel 的 Gate-Last 之争孰优孰劣?

台积电与三星从20纳米、14/16纳米、到10纳米的打架过程?

挑战者NO.2 台积电与三星的厮杀

三星 (SAMSUNG)

晶圆业务早期以自用为主,然而产能若仅自己用会太小、故也接苹果的单。

制程飞越,直接从 28 纳米跳过 20 纳米,飞到现在的 14 纳米。

由李秉喆创立的韩国三星集团是世界上最大的一家由家族控制的商业帝国,早期出口干鱼、蔬菜、水果到东北去。1970 年代生产洗衣机、冰箱、电视机等家电,1980 年代开始引进美国先进技术并和韩国半导体公司完成合并,家电、电信与半导体成为三星电子的核心业务。

三星的晶圆代工事业的发展之所以能成功,苹果可以说是一股最主要的助力。三星是动态随机存取记忆体 (DRAM) 和快闪记忆体 (NAND) 的领导厂商,全球市占率达 15.5%。

故其始终掌握著 iPhone 的记忆体关键零组件,比如 iPhone 4 使用的快闪记忆体晶片来自三星、iPad显示器也是由三星生产。

再加上三星的电子产品,使用的是自家生产的处理器 (如:Exynos猎户座);为了获得苹果的资源发展晶圆产业、同时不让自己的产能过剩 (若处理器仅用在三星自身产品上会有多余产能),其晶圆代工几乎是用成本价吃掉苹果单、记忆体打包一起折扣卖,来帮自己的晶圆代工练兵。

从 iPhone 的第一代晶片开始,苹果一直向三星采购 ARM 架构的晶片。

2010年苹果自主研发的 A4 晶片被搭载在 iPad 上正式发表、随后又搭载在 iPhone 4 中。A4 处理器虽出自苹果,三星自家发表的 S5PC100 处理器和 A4 晶片上采用的内核一模一样,两款晶片的电路设计上可以说是同一批人马。后续的 A5、A6、A7 也都是三星生产。

不过苹果和三星在代工处理上的关系,直到三星在 Android 智慧型手机与苹果的iOS开始起了摩擦。 2011 年苹果正式起诉三星 Galaxy 系列产品抄袭 iPhone 和 iPad、三星又反起诉苹果侵犯其 10 项技术专利,苹果与三星的专利诉讼战几乎遍及全世界。

台积电之所以一直没办法获得苹果订单,是由于台积电报价强硬,而苹果迫使台积电接受与三星同样的成本价、另一方面是当时台积电厂房产能已经满载,无法接下苹果如此大量的订单。

后来苹果因与三星争讼、力行“去三星化”政策,且三星在 20 纳米制程的良率无法突破,最后只用来生产自家 Exynos 5430 (用在 Samsung GALAXY A8 ) 与 Exynos 5433 (用在 Samsung GALAXY Note 4 )。

另一方面,台积电 20 纳米制程领先三星,同时台积电已经将产能扩张完毕,最后才由台积电首度拿下 iPhone 6 的 A8 处理器全部订单。

三星原先还在苦恼 20 纳米制程的良率问题,忽然间竟直接杀到 14 纳米制程了。造成这个转变的因素,可能多少在于台积电内部所发生的泄密问题。

梁孟松是加州大学柏克莱分校电机博士,毕业后曾在美商超微 (AMD) 工作几年,在 1992 年返台加入台积电。 台积电在 2003 年击败 IBM、一举扬名全球的 0.13 微米铜制程一役,其中便有他的功绩。

2009 年,梁孟松因研发副总升迁不上的问题、愤而离开研发部门,带走了自己的一组人马投奔南韩。接下来几年,三星的制程突然研发快速进步,从 48、32、28 纳米的间隔时间急剧缩短,且三星的电晶体制程与台积电的差异快速减少。

合理来说,三星的技术源自于 IBM,其电晶体应是圆盘 U 状,而非台积电所独有的稜形结构特征,但到了 14 纳米制程,在结构上几乎已经与台积电无异,据台积电委託外部专家所制作的对比分析报告指出,若单从结构上来看,已经无法分辨两种晶圆是来自于台积电或是三星所制造。

2014年5月,法院判定梁孟松直至 2015 年 12 月31 日前不得进入南韩三星工作。台湾法院从未限制企业高阶主管在竞业禁止期限结束之后,还不能到竞争对手公司工作,可以说是个历史性的判决。

然而,这很难说是台湾媒体的过于夸大。

半导体制程的挑战,在于不断微缩闸极线宽、在固定的单位面积之下增加电晶体数目。随著闸极线宽缩小,氧化层厚度也会跟著缩减、绝缘效果降低,导致漏电严重。

半导体制造业者在 28 纳米制程节点导入的高介电常数金属闸极(High-k Metal Gate, HKMG),即是利用高介电常数材料来增加电容值,以达到降低漏电的目的。

简单讲,HKMG 是由 High-k 绝缘层加上金属栅极来防漏电用的。然而在工艺上又分成 由IBM 为首支持的 Gate-First 、与 Intel 支持的 Gate-Last 两大派。

Gate-Last 顾名思义,是指晶圆制程阶段,先经过离子佈植(将所需的掺杂元素电离成正离子,并施加高偏压使其获得一定的动能,以高速射入硅晶圆)、退火(离子佈植之后会严重地破坏晶圆内硅晶格的完整性,所以随后晶圆必须利用热能来消除晶圆内晶格缺陷、以恢复硅晶格的完整 性)等工序后,再形成 HKMG 栅极。

Gate-First 就是反过来,先形成栅极、再进行离子佈植和退火等后续工法。

还记得我们在上文中曾提过,联电和台积电技术的分水岭,在于联电采用了 IBM 的技术吗?当初联电便是采用了 IBM 基于 Gate-first 的制程技术,才会永远被台积电所超越。

为什么 Gate-Last 会比 Gate First 好?很简单,读者可以想想,如果先形成 HKMG 栅极、再让 High-k 绝缘层和金属等制作栅极的材料经过退火工序的高温,容易影响晶片性能。

台积电原本也是走 IBM 的 Gate-first 技术,但后来在台积电第一战将蒋尚义(号称技术大阿哥 XD)的主导下,在 28 纳米改走 Intel 的 Gate-last 技术。

2011 年第四季,台积电才领先各家代工厂、首先实现了28 纳米的量产,从 40 纳米进展到 28 纳米。

三星原本在 32 纳米制程同样采用 Gate-first 技术,后来快速发展出自己的 Gate-Last 28 纳米制程,此后的 14纳米亦皆基于 Gate-Last。很多人会把三星能快速发展出自己的 Gate-Last 技术的大功劳归功于梁孟松。

然而回推2009年,台积电连 40 纳米也都还没多少量、同时 28纳米 HKMG Gate-First 与 Gate-Last 的战役都还没分出胜负,真要说梁孟松对三星的 FinFET 提供关键性的助益… ?

科技同业互相挖角乃为常态,彼此间都有高阶人才跳来跳去;粱孟松当初带了一组人马过去,若有人在南韩不适应、再度回归台积电的话,不也换三星要担心?

因此梁孟松虽然对三星的技术开发有一些贡献,但影响也没那么大;三星的逻辑技术一直都不输给台积电,只是以前很少做代工罢了。事后,听说两家公司有个非公开的互不挖角协议,避免双方都困扰。

不过三星的急起直追,对于台积电投入好几年、几千亿的研发资金的技术仍颇有压力。

由于三星的 14 纳米已超越台积电的 16 纳米,加上苹果 A9 的大部分订单更转到了三星,对台积电所造成的损失高达好十几亿美元。张忠谋在 2014 年的法说会上,坦承 16 纳米技术被三星超前,使台积电一度股价大跌、投资评等遭降。

这个局势在 iPhone 6s A9 晶片忽然扭转,使得台积电在苹果A9处理器一战成名。

同时采用三星及台积电制程的 A9 处理器在功耗上发生的显著的差异:台积电的晶片明显较三星地省电,适才爆发知名的 iPhone 6s 晶片门争议。

这显示著三星虽然在制程上获得巨大的进步,但在良率及功耗的控制下仍输给台积电,使得苹果 A9 后续的追加订单全到了台积电手裡;到了 A10 处理器,其代工订单由台积电全部吃下。

三星虽然挖走了台积电的技术战将、也跟著往 Gate-Last 技术走,然而 Gate-Last 工艺的防漏电及提高良率的苦功,则还是要仰赖基层生产时的Know-how,这也是台积电的得意绝活。

为什么三星的 14 纳米会不如台积电的 16 纳米制程的另一个原因,在于FinFET (鳍式场效应电晶体) 先进制程上的命名惯例被三星打破。

当初台积电刚采用立体设计的 FinFET 工艺时,原本计画按照与 Intel 一致的测量方法、称为 20 纳米 FinFET,因为该代制程的线宽与前一代传统半导体 2D 平面工艺 20 纳米的线宽差不多。

但三星抢先命名为“14 纳米”,为了不在宣传上吃亏,台积电改称为“16 纳米”。事实上,三星与台积电皆可称为“ 20 纳米FinFET”。

台积电于 2015 年第 4 季末开始首批 10 纳米送样认证,当时仅苹果、联发科及海思等少数一线客户,高通并未参与。

2016 年 11 月,高通正式宣布下世代处理器骁龙 (Snapdragon) 830将采用三星的 10 纳米制程技术,原因在于:

1. 骁龙 810 上的发热门事件即是采用台积电制程(虽然是高通自己的晶片设计问题);

2. 有韩国媒体传出, 高通以晶圆代工订单做为交换条件,要求2017年三星旗舰机Galaxy S8须采用骁龙 830 晶片。

但若台积电能在制程上再度取得优势,则可预期高通7纳米制程将重回台积电怀抱。

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