半导体制程之争烽烟再起,“中国芯”该如何反超?|C次元

原创 文/北岸 时间:2021-05-31 9:50

新的征程,国产选手们依旧不能有丝毫的放松。

一直以来,业界普遍认为3nm是摩尔定律的物理极限,也是芯片制程工艺领域的珠穆朗玛峰。

为了突破芯片性能的天花板,并将摩尔定律延续下去,越来越多的芯片制造商不惜豪掷千金,持续加码高精度芯片工艺,试图在先进工艺制程的研发上抢占新一轮的最高顶点。

或许,很多人还惊讶于台积电在3nm工艺研发领域的巨额投资,或是对三星绕道过渡性的4nm、直接将5nm制程工艺上升至3nm而感到愕然。但是在最新的制程赛道上,许久没冒泡的IBM却向业界扔下一颗颇具杀伤力的“手榴弹”,炸得对手似乎有些措手不及。

最近几年,台积电和三星为了3nm工艺制程的量产明争暗斗,紧锣密鼓,没想到却被“韬光养晦”的IBM中途抢跑了。根据IBM的最新消息,该公司已在奥尔巴尼研究实验室研发出业内首个2nm制程芯片。虽然还停留在实验室阶段,量产上市还需要几年时间,但消息一出,迅速引爆舆论。

面对IBM的“挑衅”,台积电哪里坐得住。

就在对手发布消息不到一周的时间里,台积电就迫不及待地向全世界证实自己作为“老大哥”的硬实力。据悉,台积电已突破1nm以下的工艺制程,宣布与台大、MIT携手研发出半导体新材料“铋(Bi)”,能大幅降低电阻并提高传输电流。

在先进制程的竞技赛里,抢跑的明星选手们被聚光灯照耀,可谓你追我赶,丝毫不敢懈怠。但是,巨头之间的竞争越是胶着,来自大陆的选手们似乎在制程赛道上有点跟不上了,“中国芯”的反超,依旧道阻且长。

英特尔退,台积电三星进

去年7月的一次财报电话会议,时任英特尔首席执行官的司睿博(Bob Swan)被咄咄逼人的分析师们搞得焦头烂额。面对华尔街精英们一连串的犀利问题,他吞吞吐吐,不得不用冰冷低沉的声音回答:

“我们的晶圆厂,可能赶不上了。公司正考虑使用承包商来制造7nm芯片,不排除这样的情况,如果需要使用其他公司的工艺技术,我们将提前为此做好准备。”

听完这番话,几乎每一位参会的业内人士都在唏嘘中发出同样的感叹:如今的英特尔,还是昔日睥睨一切的英特尔吗?

那是英特尔的至暗时刻。

产品拖延,技术落后,就连公司内部的工程师们,也很难确保这些困难只是暂时的。

作为美国制造业的一颗明珠、乃至二十世纪美国资本神话的关键组成部分,辉煌时期的英特尔一度只生产技术最复杂、利润最高的部件,但时至今日,司睿博传递的信息不仅与公司传统背道而驰,还让外界对美国在高端制造业的领导地位产生了怀疑。

在英特尔内部,司睿博更擅长财务,在前任柯再奇(Brian Krzanich)引咎辞职以后,时任首席财务官的他临危受命,填补了柯再奇留下的领袖空白。但就在司睿博掌舵的这三年,英特尔在产品和经营上接连遭受暴击,特别是先进制程多次延迟,设计和架构方面问题频出,被台积电和三星等对手狠狠地甩在了后面。

半导体芯片主要有三类运作模式。

第一类是IDM(Integrated Device Manufacture),可以集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身,以三星、英特尔德国企业为代表;第二类是Fabless,只负责芯片的电路设计与销售,将生产、测试、封装等环节外包,以联发科、博通为代表;第三类是Foundry(代工厂),只负责制造、封装或测试的其中一个环节,最典型的是台积电和联华电子。

英特尔是IDM模式的拥趸,自成一体,拥有包括设计、制造、封装以及销售在内的完整产业链,几乎所有产业链的制造环节都能拽在手里自己干。英特尔叱咤江湖五十余载,IDM无疑是一把利剑,目前也仅有三星和德州仪器这样的芯片巨头能hold住全产业链的业务流程。

只是,成也萧何,败也萧何。

IDM模式自有其弊端。

一是,那些采用IDM模式的公司往往需要兼顾整个产业链条,既要搞好芯片设计,又要为工艺研发头疼,还要考虑产品制造等一堆事情,很难专注于研发制程,容易在制程方面“掉链子”。

就在去年,英特尔先是延期了7nm制程芯片的发布时间,把上市日期往后推延了足足半年,最早或于2022年面市,也有可能被延后至2023年。主要原因,正是7nm制程出现了缺陷,良率不及预期,实际生产进度要比公司内部的路线图落后了一年。

二是,以英特尔为代表的的IDM们,不得不扛下公司规模庞大、管理和运营成本高昂以及资本回报率低下等先天硬伤,而这些硬伤,又在英特尔这样的领头羊身上被放大,最终导致大象难转身,大船难调头。

三是,近几年的芯片行业分工越来越细,代工模式日渐吃香,英特尔的市场也不断被台积电为首的代工厂慢慢蚕食。就在英特尔对外宣布7nm制程工艺按下“慢进键”的同时,该公司也曾无奈地表示,作为紧急应变方案,他们已准备外包部分芯片制造的Plan B,使用其它企业的晶圆代工厂。

制程之争,烽烟再起

早在一年前,三星就宣布其成功攻克了3nm工艺制程的关键技术GAAFET(环绕栅极晶体管),一直到今年3月的IEEE ISSCC国际固态电路大会,该公司才对外展示了一颗采用3nm工艺制造的最新芯片,并首次对外分享了在3nm GAE MBCEFET芯片研发方面的诸多细节。

目前,GAAFET技术可以分为两种类型,一种是传统的常规GAAFET,使用纳米线作为晶体管的鳍片(fin),另一种是MBCFET(多桥沟道场效应晶体管),使用的鳍片更厚更宽。

一直以来,三星在7nm、5nm先进制程工艺上都落后于竞争对手台积电,所以该公司对于3nm制程工艺可谓寄予厚望,迫切希望能通过3nm制程实现对台积电的技术反超。

当然,对于三星来说,这颗3nm SRAM芯片也是意义非凡,它不仅代表了3nm制程工艺最新落地的里程碑,还采用了GAAFET的MBCFET技术,在晶体管结构上实现了新的突破。根据三星电子副总裁Taejoong Song传递的信息,新的芯片具有“高速度、低功耗和小面积”的优势,容量为256Mb(32MB),面积为56平方毫米。

值得一提的是,台积电和三星在7nm制程以前均采用FinFET技术(鳍式场效晶体管),但是从5nm制程开始,FinFET工艺极限的瓶颈就逐渐显现出来。在3nm制程芯片的实现路径上,三星决定用MBCFEF替代传统的FinFET,预计于明年量产,但台积电却依旧坚持FinFET技术,对传统技术进行改进,暂定于今年下半年投入试产,计划于明年实现量产。

台积电和三星还在为3nm制程厮杀激烈,这几年闷声不吭的IBM却在今年5月突然放了个大招,发布了2nm芯片制程技术。消息一出,业界哗然,很多人至今似乎还无法相信,世界上首个2nm制程芯片,竟然是默默无闻的IBM最先发布的!

按照IBM的几组数据指标,其2nm制程工艺与当下较为先进的7nm相比,性能将提升45%,功耗降幅则高达75%。

最新技术能在指甲盖大小(约150mm)的芯片上安装500亿个晶体管,高于2017年该公司官宣5nm时突破的300亿,与此同时,也是台积电5nm的两倍。IBM甚至声称,这项最新的制程技术可将手机电池寿命支撑到现有的四倍,在未来,手机只需要一次充满电,就可以使用整整四天的时间。

从晶体管峰值密度来说,IBM最新发布的3nm制程约为每平方毫米3.33亿晶体管(MTr/mm2),而横向对比,目前台积电3nm制程工艺的预估逻辑密度峰值也仅有每平方毫米2.92亿晶体管。

如果一切顺利,IBM的2nm制程工艺有望在2023年下半年开始风险性试产,最快将在2024年进入量产阶段。值得一提的是,2024年也是台积电2nm工艺芯片预估量产的时间,该公司预计其2nm工艺芯片能在2023年达到90%的良率,如若一切顺利,最快将于2024年实现量产。

可以看出,虽然台积电目前已超越英特尔和三星,成为全球市值最大的半导体公司,并稳坐全球最大芯片代工厂的宝座,但其对于先进制程的焦虑却始终存在。要知道,成立至今三十余年,台积电在很长一段时间里都保持着对先进制程的绝对领先,而其竞争对手也在大浪淘沙里逐渐分化,最大的敌人早已不是昔日的联电,而是英特尔与三星。

面对IBM和三星的制程野心,台积电终于还是坐不住了。IBM前脚才刚刚官宣2nm制程研发成功,台积电后脚就在相关领域有了最新动作,高调宣布与台湾大学和麻省理工大学共同发表了研发成果,并反复强调自己能利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极,在1nm以下制程方面取得了巨大突破。

中芯国际道阻且长

虽然IBM已经发布了2nm制程技术,台积电也对外公布将用1nm先进制程挑战摩尔定律的物理极限,但这些并没有经过量产验证。从制程工艺上看,目前全球最先进的芯片工艺是5nm,但只有台积电和三星能生产制造。

在中国大陆的芯片制造商里,技术最先进的厂商是中芯国际,该公司也是目前国内首屈一指的晶圆代工龙头,甚至被称作大陆地区芯片界的“希望”。但值得一提的是,该公司现阶段最先进、最成熟的工艺制程也仅停留在14nm。

也是在最近,中芯国际发布了最新财季的财报结算。数据显示,中芯国际第一季度的营业收入为11亿美元(折合人民币约71亿元),同比增长22%,净利润为1.589亿美元(折合人民币约10.25亿元),相比去年同期上升幅度高达126%,远超市场预期。

但是,从从工艺制程来看,55/56mm依旧是中芯国际最主要的营收来源,占比高达32.8%,紧随其后的是0.15/0.18微米,占比30.3%。

横向对比,先进制程工艺14/28纳米并不是该公司的营收主力,占比虽然和去年同期的5%有所增加,但也只有6.9%的贡献比例而已。这也意味着,即使是在5nm制程已经被大规模量产的当下,作为我国的芯片制造大厂,中芯国际的制程依旧还是以成熟工艺为主,先进工艺的营收依旧占据极小的比例。

台积电的情况则相反。

这几年,台积电依靠先进制程赚得盆满钵满,仅看今年第一季度的营业收入,5nm工艺制程的占比就有14%,7nm的占比更是高达35%。总体看来,台积电在落后工艺方面的营收占比并不高,其高端产品在市场上也被客户广泛认可。

由此可见,无论是技术还是市场,营收或是利润,中芯国际与台积电等竞争对手依旧有不小的差距。要知道,台积电等大厂依靠先进工艺赚钱,利润率自然也更高。

中芯国际成立于2000年,在过去的二十年时间里,这家大陆的巨头一直在制程赛道上追赶台积电。但是,想要追赶,谈何容易。直到现在,昔日的“老大哥”英特尔都没能将原属自己的霸主之位重新抢回来,遑论后起之秀中芯国际。

瓶颈究竟在哪?

除了技术,还有设备。

因为中美贸易战的持续发酵,美国方面切断了中芯国际与荷兰ASML顶级光刻机的商业来往,但是先进制程的加工却少不了光刻机。

值得一提的是,无论是技术深度还是设备精度,国产的光刻机都和海外对手有相当大的差距,中芯国际首席执行官赵海军也曾坦言,国内光刻机的整体水平要落后荷兰约20年时间,这是一道很难在短期内迎头赶上的实力鸿沟。

就在这个月,《日本经济新闻》采访了7 家来自中国大陆的主要半导体设备制造商,大多数表示,目前中国大陆的芯片制造商依旧以生产14-28nm芯片为主,在技术上至少落后海外优秀选手2-3代。

与此同时,美国方面的制裁也是从国外采购零件和材料的一大阻碍,但如若切换到国内的硬件替代品,又会影响芯片最终的成品良率。新的征程,国产选手们依旧不能有丝毫的放松。

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