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5nm怎样给摩尔定律续命?巨头开打制程之战2.0,祭出三大杀器

发布时间:2019-11-22 02:29:22 所属栏目:智能家居 来源:网络整理
导读:摩尔定律将“死”?5nm点燃新一轮制程之战。
5nm怎样给摩尔定律续命?巨头开打制程之战2.0,祭出三大杀器

智东西(公众号:zhidxcom)
文 | 韦世玮

摩尔定律似一把离弦的箭,自1965年穿越了半个多世纪,掠过无数狼烟四起的芯片制程战场,这次它又将稳稳地瞄准5nm制程赛的靶心。

回味上一场由台积电和三星搅起的7nm制程战局,战事尚未真正落下帷幕,然而在业界普遍看来胜负已分。

但芯片制程这片江湖从不缺刀光剑影与称霸的野心。先进制程的纷争一波未平一波又起,台积电和三星这两位“宿敌”,正紧锣密鼓地筹备新一轮5nm战事。而2019年,也就成了这两家接连喊话5nm制程战局的一年。

这厢三星刚公布技术路线图,谈流片、谈量产、谈合作;那厢台积电就紧接迎来试产阶段,秀良率、秀产能,你方唱罢我登场。

另一旁沉默许久的老势力英特尔也蠢蠢欲动,前些日子宣布它将在几年内重回7nm战局,并首次谈及5nm研发,欲抢下5nm赛局为数不多的“早鸟票”。

纵观今天下大势,随着5G和AI技术的发展,以及大数据的爆炸式激增,未来新产业、新应用的计算需求和功耗也正等着5nm芯片战果的嗷嗷待哺,催促着整个半导体产业链不断冲刺物理极限的天花板,火拼先进制程给摩尔定律续命。

刀锋至此,台积电、三星、英特尔摩拳擦掌,5nm战争即将一触即发。

5nm怎样给摩尔定律续命?巨头开打制程之战2.0,祭出三大杀器

有意思的是,5nm战事与以往有着些许不同,左右局势胜利的关键因素正在悄然发生变化。

5nm先进制程已不仅仅是代工厂商之间的战争,它亦是核心工艺和半导体材料走到极限的重要转折节点。

那么,这些玩家为何要奋力拼杀5nm制程?目前它们的战局如何?若要拿下5nm制程的王座,它们又该从哪里撬开核心工艺与新材料的突破口?

这次,智东西将目光聚焦在5nm制程预热赛中,通过深度调查,探究芯片制程在演进背后的核心与关键。在剖析它们是如何刷新摩尔定律下限的同时,我们也试图从这场制程节点比拼的火光中窥见,这场战争将会对产业链的哪些环节带来颠覆性的影响。

一、5nm制程:摩尔定律发展的重要转折点

引得战火纷纷的5nm究竟能给行业带来什么?

一位国内头部芯片设计企业的技术专家告诉智东西:“从行业最直观的受益来讲,无非是让产品获得更高算力的同时,还能保持相同甚至更低的功耗,整体性能进一步加强。”他这种观点也已成为芯片行业的共识。

这也与英特尔创始人之一,戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律息息相关。他认为,集成电路上可容纳的晶体管数量,每隔18至24个月就会增加一倍,性能也将提升一倍。

当芯片制程演进到5nm,它晶体管的集成度和精细化程度都要比以往更高,可容纳更复杂的电路设计,并将更丰富的功能融入其中。

但从目前行业的普遍应用上看,许多产品用28nm、14nm,甚至10nm就已绰绰有余,再费劲花更高的成本与精力来研发5nm制程,暂且看来就是个赔本的买卖。

部分业内人士认为,不是所有行业都对5nm有着强劲的需求,它在现阶段并非多数市场的刚需。

话虽如此,当我们把目光放至未来,随着5G和AI技术的发展,以及全球大数据的爆发式增长,5G智能终端、VR/AR产品、机器人、AI和超算等产品的成熟和应用,都将对芯片的性能、能耗和算力都有着更加严格的要求。

从另一个维度来说,业内普遍认为,芯片这类硬件的发展也将催生出新的应用生态,或是对早已成熟的市场带来革命性的颠覆。

例如,当下因苹果AirPods而重新迎来第二次黄金时代的TWS(真无线立体声耳机)市场,各大厂商使用的蓝牙芯片制程尚未踏入7nm领域,大多聚集在28nm至12nm中。

但随着市场需求倒逼着蓝牙芯片的发展,未来各家厂商为了能在更小的芯片中集成更多的功能与应用,也将逐渐推动蓝牙芯片朝着7nm甚至是5nm制程演进。

不可否认,5nm制程的演进是各项技术和产业逐步成熟、变革的必经之路,亦是根基。

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▲半导体代工厂制程路线图

二、5nm制程战局三足鼎立

随着先进制程的不断演进,工艺研发的门槛越来越高,成本与技术逐渐成为一座座制程演进的分水岭。

目前行业中布局5nm制程的玩家,主要有台积电、三星和英特尔三足鼎立。其中,台积电和三星的对峙最为激烈,淡出赛局许久的英特尔则在一旁蓄势待发。

过去一年以来,5nm芯片试产、量产和良率等消息的不断释放,持续刺激着业界神经。

具体地说,这些玩家都在比拼些什么呢?

从现阶段玩家打出的牌面来看,它们主要在拼技术路线、研发进度、工艺性能和客户订单这四个方面。

1、技术路线:台积电抢先,英特尔殿后

今年6月,台积电率先出击,将芯片代工计划路线图在众人面前缓缓铺开。

台积电的5nm研发节奏较快些,它已在今年三月进入了风险试产阶段,并预估于明年2月量产。

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▲台积电公布的5nm工艺进展和技术特性

紧接着,在台积电公布后的一个月,三星的研发路线图也随之亮相。

6nm、5nm和4nm工艺将接踵而至,三星表示5nm LPE(5nm Low Power Early)工艺将在今年内完成流片,并于明年上半年投入量产。

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▲三星最新公布的芯片制程路线图

与10nm制程相爱相杀许久的英特尔,虽然没有对先前的7nm战局表现出太多的热情,但在今年10月,它也终于抛出了未来四年的规划进程,第一次喊话5nm。

相比之下,英特尔的5nm制程离量产还要晚上几年,它也并未透露更多具体的时间和信息,仅表示目前工艺研发进程可观,若一切正常,将在2023年正式推出。

2、研发进度:台积电产能进度可观

三星在10月底发布的2019年Q3财报时提到,其5nm EUV工艺已进入流片阶段。

这家公司还走了一条生态联合的路线,在10月宣布自己将与ARM、新思科技(Synopsys)携手开发一整套优化工具及IP,让芯片厂商在三星5nm工艺的基础上,快速打造基于ARM Herculues CPU核心的芯片。

台积电的研发进度则显得更加直接。据业内人士透露,目前台积电5nm的试产良率已经达到50%,且月产能也已从最初的4.5万片晶圆涨至8万片,几乎翻了一番。

3、工艺性能:三星芯片功耗稍逊一成

实际上,三星的5nm LPE工艺沿用了7nm LPP(Low Power Plus)工艺的晶体管和SRAM,性能相比7nm增强了10%,逻辑效率提升25%,功耗也将降低20%。

另一方面,台积电总裁魏哲家曾表示,与自身的7nm工艺相比,其5nm晶体管密度将有80%的提升,运算速率也将提升20%,功耗则降低30%。

4、客户订单:三星默声,台积电确定两大客户

与自身的研发进度一样,对于目前拿到的5nm订单,三星除了确认已有客户外,并未放出更多讯息。

台积电的5nm良率虽还有较大提升空间,但一些大客户看到台积电势头渐涨的5nm工艺,也忍不住先捷足先登抢产能。

就在上个月,台积电官方谈到,自家首批5nm工艺已顺利拿下苹果和华为海思两大客户,将分别打造苹果A14芯片,以及华为新一代麒麟芯片。

5nm怎样给摩尔定律续命?巨头开打制程之战2.0,祭出三大杀器

5nm战局尚处于预热赛阶段,目前仍以台积电和三星的相互较劲为主要看点,而拿到5nm制程入场券的英特尔,离真正踏入赛道还有较远一段距离。

三、5nm制程之战的三大焦点

5nm制程之战爆发,无疑是对摩尔定律的再一次艰难推进。

它与以往节点最大的不同在于,5nm制程将是一场涉及代工厂、设备厂和材料厂等全产业链战局的大爆发,其中核心工艺、EUV设备还是半导体材料,都将走到极限。

而这,也成为了5nm制程的三大革新焦点:

1、核心工艺:FinFET与FD-SOI孰美?

从目前业内的芯片制造核心工艺来看,FinFET与FD-SOI是最重要的两项技术,摩尔定律在它们的基础上不断向前推进。

关于这两项工艺哪个更胜一筹,也一直是业界争论的焦点。

(1)FinFET:3D晶体管设计的重要转折点

FinFET(Fin Field-Effect Transistor)又称鳍式场效晶体管,由加州大学伯克利分校胡正名教授发明,极大地推动了摩尔定律的发展。

作为芯片从平面器件转向3D器件构造的重要突破口,FinFET的意义十分重大。

(编辑:555手机网)

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