数码频道后摩尔时代,晶圆代工或生巨变,台积电还能霸主多久?

数码频道 2020-02-24200未知admin

  晶圆代工格局演变:进阶的台积电VS一直掉队的对手

  在晶圆代工行业,台积电老大的地位毋庸置疑。

  据拓墣产业研究院统计,台积电2019年第四季市占率预估达到52.7%,三星电子(Samsung)则是以17.8%居次,而第三名的格芯(GlobalFoundries)则只占8%。从市占率来看,台积电已把竞争对手的差距拉得非常大。

  在工艺方面,向更高微型工艺进击是各大厂商前进的方向。

  国产最强的中芯国际已量产14nm,准备研发7nm工艺;英特尔已量产10nm工艺,未来10年,计划从10nm升级至1.4nm;格芯从40、50nm工艺深入到22nm,数码频道并采用12nmFinFET工艺成功流片基于ARM架构的高性能3D封装芯片,投身于3D封装领域;三星已生产7nm芯片,并完成4nm工艺的,正向3nm工艺前进......

  而台积电在7nm工艺上已发展得非常成熟,截至2019年6月份,台积电7nm已经获得了60个新产品流片。接下来,台积电将会陆续推出7nm+工艺、6nm工艺、5nm工艺和5nm+工艺。据悉,台积电的5nm工艺良率已达50%,高于此前的7nm工艺试产,最快于2020年第1季度就能投入量产。此外,台积电正在进行3nm工艺研发,对晶体管结构进行大改;同时台积电在积极进军2nm节点,希望在2024年量产。

  无论从市占率还是工艺技术来看,台积电妥妥甩众人于尾后,稳坐巨头之位。

  其实晶圆代工厂商的格局并非一开始便是如此。晶圆代工成为专注领域始于张忠谋于1987年创立台积电,但当时的台积电并非技术实力最强者,更早的高通、英特尔、三星;同时期的联电;还有后来者中芯国际等,均是台积电前进上的大敌。只是在后续的发展过程中,随着各大竞争对手的相继掉队,台积电渐渐成为晶圆代工霸主。

  2003年,联电掉队。台积电与联电曾被誉称为的“代工双雄”,但2003年的0.13微米工艺,成了台积电与联电拉开差距的关键节点。当时,台积电自主研发工艺,与联电在选择是否与IBM合作研发上决策失误,导致台积电一技扬尘,于市场上取得先机。

  2009年,格芯掉队。当时,格芯董事长HectorRuiz卷入“内线交易”案而下台,原定第二年流片的32与40/45纳米SOIHigh-k,以及28纳米High-k工艺芯片,全部被推迟2至3个季度量产。

  2003年至2009年,中芯国际掉队。2000年,具备丰富晶圆代工经验的张汝京在上海创立中芯国际,一跃成为中国内地晶圆代工领域头把交椅。但自2003年起,台积电以窃取技术专利及商业机密的中芯国际,重挫中芯国际。2009年,中芯国际败诉,赔偿2亿美元现金及10%股权给台积电。随后,张汝京离开中芯国际。

  2011年,刚成立不久的格罗方德掉队。AMDBulldozer架构的微处理器由格罗方德代工32纳米制程时,因良率过低,造成原订2011年第1季出货的进度,一延误到2011年第4季,使得后来AMD将部分订单转交给台积电。随后,台积电在2011年就已量产28纳米制程,而格罗方德却迟至2012下半年才正式量产。

  2017年,英特尔掉队。随着晶圆代工产业的竞争加剧,7纳米先进制程成为了2017年各家晶圆代工厂的决胜点。尽管英特尔凭着世界顶尖的制程技术工艺,在14纳米上表现不俗,但晶圆代工著重的不只是制程,产量和良率等也是影响晶圆代工质量的重要因素,而英特尔在不良率被台积电完爆。在7纳米这场战争中,英特尔明显落败。

  2018年,三星掉队。曾经三星也是可以与台积电并列的芯片巨头,但在7nm上三星失去先机,自此与台积电的差距越来越大。据相关数据显示,目前市面上90%的7nm工艺芯片均出自台积电之手。但尽管如此,据目前情况来看,未来三星是台积电最大的竞争对手。

  反观台积电,从1987年至2020年,这23年的时间长河里,台积电一直致力自研,不懈前行。从实现8寸进入12寸的量产,到 28纳米工艺的技术超车,再到7纳米的巩固战役;从自研0.13微米铜制程,到押注浸润式技术,再到紧抓智能手机芯片风口;都让台积电向上垫高一阶,造就今日的传奇地位。

  半导体的矛与盾:大步进击的台积电,停滞不前的集成电

  纵观晶圆代工产业的演变史,台积电的胜利明显源于制程工艺技术壁垒与好的良品率。但从更广的角度来看,大步进击的台积电背后,却是停滞不前的集成电,折射出当今半导体发展的矛盾局面。

  集成电的发展主要源于晶体管的不断缩小以及制造工艺的改进。1947年,贝尔实验室发明了点接触的Ge晶体管;1950年,Shockley发明了第一个T(双极结晶体管),取代性能相对差的线年,仪器制造出第一个集成电触发器,由两个双极晶体管组成并连接在单片硅片上,从而启动了“硅时代”;1963年,仙童发明了CMOS电,实现了几乎零静态功耗;接下来的年代,集成电就一直遵循摩尔定律不断地scaling(尺寸缩放),带来速度、密度、性能的一次次提升。但受限于晶体管材料的物理尺寸(小尺寸效应),一从Bulk-Si走到32nm就走不下去了,于是开始从晶体管技术的使用转向新的器件结构:从Planar3DFinFET(3D封装技术)以及SOI技术。

  目前主流芯片厂商的产品已经进入到10nm以内,遵循以往的技术径,即按比例不断缩小器件尺寸已无法实现摩尔定律。

  从物理角度来看,集成电尺寸已进入到介观尺寸范围内,各种物理效应都会成为集成电发展的阻力,如杂质涨落、量子隧穿等。

  从工艺角度来看,目前每一工艺节点的演进会使芯片时间频率有20%的提升,而功耗也以一定的幅度在增加;从成本的角度来看,从20nm开始,加工成本开始显著上升。成本的增加挤压厂商的利润,在一定程度上研发的投入,研发速度将有所放缓。

  随着集成电尺寸不断减小,技术瓶颈在制约工艺的发展,从2015年以来产品换代速度已下降到24个月,数码频道这个速度预计将保持到2030年。

  因此,物理效应、功耗和经济效益成为了集成电工艺发展的瓶颈。在此困境下,如今集成电的发展似乎更多地依赖于1999年出现的3DFinFET技术,就目前而言,像台积电、英特尔等巨头纷纷选择了3D封装技术,来解燃眉之急。

  1999年,胡正明成功研制出FinFet,将半导体器件结构的维度从二维提升到了三维,提升了我们对晶体管通断性质的控制,也很好地解决了由于尺寸缩小而带来的漏电流过大的问题,使晶体管制程进化到如今的7nm工艺。

  可以说,当硅材料集成电接近理论性能极限,当我们从晶体管技术的使用转向新的器件结构以谋求集成电发展时,集成电技术在本质上就几乎没有了突破,尺寸变小更多的是极致地体现出资本家们利益最大化的思想。

  对于台积电来说,因为集成电技术的停滞,半导体行业整体处于相对稳定的一个状态,没有因为新技术的出现而形成行业大洗牌、弯道超车等现象,台积电多年积累的技术壁垒因此而越加牢固。

  但对于整个半导体行业来说,这明显是不利的。随着行业壁垒的加高加固,台积电一家独大的局面越发严重,导致弱竞争现象,行业发展或将变缓。甚至到最后,摩尔定律死亡,集成电产业的发展停止。

  这是半导体行业的矛与盾,矛是个别半导体企业的前进,盾是整个行业的难以突破。或者应该说是台积电的矛与盾。

  后摩尔时代,晶圆代工或生巨变,台积电还能霸主多久?

  显然,随着器件尺寸不断减小,技术瓶颈开展显著制约工艺发展,当前产品迭代速度已明显下降,因此,我们需要重新探讨集成电产业和技术的发展方向,后摩尔时代已来。

  目前,除了通过SoC集成和3D封装技术等方法来进行产品迭代,行业内还通过多种途径寻求突破。比如,挖崛氮化镓(GaN)、碳化矽(SiC)等半导体新材料,新的集成电时代;研究量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳纳米管或纳米线器件等能够实现自组装的器件,以改变现有的电子传递信息模式,降低功耗并提升性能;试图从领域找到突破口,通过微纳电子学、物理学、数学、化学、生物学、计算机技术等领域的高度交叉和融合,加速集成电理论和技术的创新突破。

  而一旦集成电技术得到突破,半导体行业或生巨变。不过,从这些研究得到突破到实现量产,恐怕还有很长的要走。在集成电技术停滞的下,再结合市场份额占比情况来看,数码频道厂商想超越台积电的可能性比较小。

  一方面,在即将到来的5nm时代,台积电优势依旧明显。

  台积电5nm的良率已经爬升到50%,预计最快明年第一季度量产 ,初期月产能5万片,随后将逐步增加到7~8万片,几乎翻了一番。目前披露的首批5nm消费级产品包括苹果A14、海思麒麟1000系列等,据说9月份已经流片验证。

  至于AMD,Zen4架构处理器也是5nm,首发大概率会交给EPYC霄龙处理器,代“Genoa(热那亚)”,最快2021年就登场。按照台积电数据,相较于7nm(第一代DUV),基于Cortex A72核心的全新5nm芯片能够提供1.8倍的逻辑密度、速度增快15%,或者功耗降低30%,同样制程的SRAM也十分优异且缩减。

  另一方面,在3D封装技术上,台积电、英特尔处于领先,未来或将独占鳌头。

  台积电在2018年4月宣布创新的多芯片3D堆叠技术(SoIC)。采用硅穿孔(TSV)技术,将不同尺寸、制程技术及材料的裸晶堆叠在一起,达到无凸起的键合结构,大幅减少功耗。

  英特尔也在2018年12月推出有源内插器的3D封装技术Foveros。该3D封装将内插器作为设计的一部分,内插器包含了将电源和数据传送到顶部芯片所需的通硅孔和走线,通过为每种情况下的工作选择最佳晶体管,在正确的封装下组合在一起,从而获得最佳的优化效果。2019年还推出新封装技术Co-EMIB,可实现高带宽和低功耗的连接模拟器、内存和模块。

  结语

  未来集成电会如何,台积电又会如何发展,我们不得而知,但我相信,科技没有到终点。比起一直台积电霸主晶圆代工领域的辉煌,我更期待新的集成电时代到来。

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