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半导体产业纷争下:晶圆厂一边赚钱,一边焦虑

2019-06-28 08:31
来源: 镁客网

最近半导体先进工艺的争夺战可以说是愈演愈烈。

日前,三星在美国SFF晶圆代工论坛上发布了新一代逻辑工艺路线图,暗示其2021年要量产3nm工艺,以压制台积电彼时的5nm工艺。在其之后不到一个月,台积电就官方宣布正式启动2nm工艺研发,不失为有力回应。

7nm,5nm,3nm,2nm...

如同开了外挂一般,不声不响,神仙打架的一招一式都是互不相让,亦精彩纷呈,让观者目不暇接。

对摩尔定律的焦虑:半导体工艺真的到极限了?

不得不说,不去看这两家各自打得如何激烈,仅这场架的行为本身传达出的信号就着实让人有些摸不着头脑。一反外界的悲观态势,晶圆制造厂发展势头迅猛且毫无畏惧,这在当下多少有些反常。

目前,一颗芯片上至少有数亿个晶体管,nm单位可以简单看成是单个晶体管尺寸大小。按照摩尔定律,随着晶体管尺寸越来越小,理论上相同大小的处理器性能会有显著提升,同时功耗相对会降低。因此某种程度上,半导体工艺的发展与产业整体成长紧密相关。

有数据显示,1987年左右,半导体产业成长率高达40~50%,到了1990年代全球半导体产业的成长率在15%~16%,但到了2000年后,全球半导体产业成长率只有4%~5%,而后随着工艺逼近个位数量级,晶圆制造因制程带来的红利也似乎已经走到尽头。

因此2018年,整个半导体产业对制程上的担忧是明显的,“半导体工艺到达物理极限”言论一度甚嚣尘上,摩尔定律失效也成为诸多半导体人口中惯常的论调。

当时,张忠谋曾站出来辟过一次谣,称半导体工艺距离物理极限还有8—10年,而延续摩尔定律的另一条路是在封装工艺上发力,即向上堆叠。言下之意,张忠谋认为短期内半导体产业的利润点不会因工艺存在大幅下跌,未来并没有那么悲观。后来任正非在谈到这一点时,也表示解决的方法比较多,未来新的技术也将能够保持整个行业的成长活力。至此,无法跟上摩尔定律带来的焦虑才稍减半分。

回顾历史,因将集成度与晶体管价格描述为反比关系,摩尔定律一直是描述半导体产业经济学效益的一种推测手段,但作为对发展趋势的分析预测理论,摩尔定律也是在质疑与自我验证中徘徊发展。

最为显著的预测是在晶圆制造上,摩尔定律认为在制程技术不断进步的前提下,每隔18个月,IC的产量将提升一倍,换个角度来看,其成本将降低50%。因至关重要,人们对制程工艺的关心和怀疑也没有减弱过。因此当半导体芯片主流制程技术为90nm时,有人认为45nm将成为物理极限;当制程技术达到45nm时,有的观点认为22nm将成为极限;而此前7nm也一度被认为是半导体工艺的极限。

容易发现,类似我们当下对能够看见的物理极限2nm甚至1nm产生怀疑与担忧一般,整个产业的情绪其实早就反复出现。因此在2018年整个产业悲观声音之下,仍然有业内人士认为,这份因“数字”变化带来的焦虑有其合理之处,却也不尽然。

从IDM到Foundry,技术驱动晶圆制造产业发展

提到nm工艺,绕不开Intel、三星与台积电这三家在先进工艺上有着卓越贡献的公司。作为先进制程工艺的代言人们,Intel是唯一活跃在公众面前的传统IDM公司,三星的工厂则与台积电一样,承接Foundry业务。

作为奠定近年半导体工艺发展的厂商之一,自10nm之后与三星、台积电之战中“败”下阵来,Intel一直在努力调整以使其主要制程工艺技术走上正轨。但是即便在市场中落败,作为曾经的工艺界大牛,Intel对整个产业的贡献是卓越的。

22nm是半导体工艺发展史上的一个关键节点,也是从此开始,胡正明发明的SOI和FinFET工艺在市场上走向了对立面,因为Intel在众人一筹莫展之际,率先在硅上做成了22nm制程FinFET,缩小了器件尺寸,成功延续了摩尔定律的生命,也将IBM、AMD等一众巨头踩在了脚下,同时将SOI工艺的支持者们远远抛在了后面。

风光无限,Intel引来众多追随者,台积电就是其中一名。但随着产业发展,14nm,10nm...晶体管越做越小,Intel也未曾料到,有一天会在7nm上栽跟头。

在近代工艺的发展历史上,7nm绝对是最受关注的工艺水平之一,很多在10nm工艺上大放异彩的半导体公司都在7nm上吃了苦头,Intel也不例外。也因此,台积电借势一举打下了大半市场,完成了自己从追随者到引领者的身份蜕变,树立了自己的定位,拿下了高通、华为等多家主流手机公司的大单。发展至今,7nm工艺给台积电带来的营收都依然占据很大比例,如2019 Q1财报显示,台积电7nm工艺营收占据整个公司营收的22%,占比最高。

图 | 台积电2019 Q1财报

与台积电稍有不同的是,这一路上三星的路走得就“绚烂多姿”许多。虽然一度被Intel怼其nm级工艺标识有夸大之嫌,但借着7nm之战,三星还是挤掉了Intel,成功上位并拿下了台积电剩余的市场份额,也成为现如今唯一被认为能够与台积电对抗的企业。

上个月,为了展现自己在制程工艺的布局,三星对外公布了其工艺路线图,一眼看过去着实让人眼花缭乱。

图 | 三星工艺路线图

不难发现,三星在3nm节点处其实已经开始放弃FinFET工艺,转向GAA晶体管。关于GAA晶体管,我们后面再做介绍。

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