資本丨全球晶片攻堅戰：台積電一枝獨秀，3nm明年開始試產

前言：5nm、3nm 節點主要面向 FPGA等高性能計算領域，智能處理器和 5G 晶片。

在接下來的兩三年中，5G 將會被大規模使用。

台積電：最為積極和最早布局

很快台積電的 5nm 工藝即將量產，與此同時，台積電的 3nm 工藝也在持續推進當中。

去年 7 月，台積電就公開表示其 3nm 工藝的開發進展順利，並且已經與早期客戶就技術定義進行了接觸。

近日，台積電正式披露了其最新 3nm 工藝的細節詳情，其電晶體密度達到了驚人的 2.5 億個 /mm²。

在性能提升方面，台積電 5nm 工藝相比 7nm 性能可提升 15%，能效比提升 30%，而 3nm 較 5nm 性能則可進一步提升 7%，能效比提升 15%。

台積電在評估多種選擇後認為現行的 FinFET 工藝在成本及能效上更佳，所以 3nm 首發依然會是 FinFET 電晶體技術。

而台積電則表示，其 3nm 工藝研發符合預期，並沒有受到疫情影響，預計在 2021 年進入風險試產階段，2022 年下半年量產。

3nm 是他們在 5nm 之後在晶片工藝上的一個完整的技術跨越，同第一代的 5nm 工藝（N5）相比，第一代的 3nm 工藝（N3）的電晶體密度將提升約 70%，速度提升 10%到 15%，晶片的性能提升 25%到 30%，3nm 工藝將進一步夯實他們未來在晶片工藝方面的領導地位。

台積電通過了 1,217.81 億元資本預算，除升級先進位程產能外，也用於轉換部分邏輯製程產能為特殊製程產能。

台積電預定今年度資本支出金額約 100 億美元至 110 億美元，其中 80%經費將用於 3 納米、5 納米及 7 納米先進位程技術。

台積電預期，今年 7 納米與第二代 7 納米製程將貢獻約 25%業績。

另外有 10%經費用於先進封裝與光罩，10%用於特殊製程。

面對三星積極衝刺晶圓代工，並企圖在 3 納米製程超車台積電，台積電發言系統表示，不對競爭對手的技術發展做任何評論，並強調絕有信心在 7 納米、5 納米，甚至 3 納米製程持續維持全球領先地位。

三星：在技術上的追趕和超越

三星同樣押注 3nm 節點，進度及技術選擇都很激進，三星將淘汰 FinFET 電晶體，直接使用 GAA 環繞柵極電晶體。

根據三星的信息，相較於 7nm FinFET 工藝，3nm 工藝可以減少 50%能耗、增加 30%性能。

三星計劃 2021 年量產，疫情影響已推遲到 2022 年，但沒有明確具體時間。

去年，三星的 Foundry Forum 活動中強調了先進封裝的重要性；今年，三星的 Foundry Forum 則將重點放在了先進位程的進度上。

就此，我們也能夠很明顯地感受到，三星與台積電之間的競爭越發激烈。

前不久，三星也公布了未來的製程工藝路線圖，公司計劃今年推出 7nm EUV 工藝，明年有 5/4nm EUV 工藝，2020 年則會推出 3nm EUV 工藝，同時電晶體類型也會從 FinFET 轉向 GAA 結構。

不過，根據最新的消息顯示，受今年新冠疫情的影響，三星的 3nm 工藝的進度可能將推遲。

基於 GAA 的工藝節點有望在下一代應用中廣泛採用，例如移動、網絡通訊、汽車電子、人工智慧（AI）和 IoT 物聯網等。

值得一提的是，三星一直被詬病的電晶體密度仍然未被提及。

作為 GAA 技術的領頭羊，三星究竟能否藉由 3nm 工藝翻盤，還需要時間來證明。

三星在 10nm、7nm 及 5nm 節點的進度都會比台積電要晚一些，導致台積電幾乎包攬了目前的 7nm 晶片訂單，三星只搶到 IBM、NVIDIA 及高通部分訂單。

不過三星已經把目標放在了未來的 3nm 工藝上，預計 2021 年量產，這個時間點要早於台積電。

英特爾：主流工藝反超 新戰場保守

去年英特爾超越三星，奪回了全球半導體市場的一哥地位，過去 27 年以來英特爾在這個榜單上把持了 25 年之久。

再下一步，英特爾還要在半導體技術上追上來，其 7nm 工藝電晶體密度就接近台積電 3nm 工藝了，5nm 節點反超幾乎是板上釘釘了。

在 10nm 走上正軌之後，英特爾宣布他們的半導體工藝發展將回到 2 年一個周期的路線上來，2021 年就會量產 7nm 工藝，首發高性能的 Xe 架構 GPU，2022 年會擴展到更多的 CPU 等產品中。

現在還沒公布官方細節，不過英特爾從 22nm 工藝到 14nm 是 2.4x 縮放，14nm 到 10nm 是 2.7x 縮放，都超過了摩爾定律的 2x 工藝縮放水平。

英特爾 CEO 司睿博之前提到過 7nm 工藝會會到正常縮放，那至少是 2x 到 2.4x 縮放，意味著 7nm 工藝的電晶體密度將達到 2 億 /mm2 到 2.4 億 /mm2 之間。

這樣看來，如果是 2.4 億 /mm2 的水平，那英特爾的 7nm 工藝就能達到台積電 3nm 工藝的水平，保守一點 2 億 /mm2 的話，那也非常接近了。

7nm 之後英特爾還會進入 5nm 節點，時間點會在 2023 年，按照英特爾的水平，至少也是 2x 縮放，那電晶體密度至少會達到 4 億 /mm2，遠遠超過台積電的 3nm 工藝水平，台積電的 2nm 工藝在 2023 年之前應該沒戲的。

目前的計算還是理論性的，但是只要英特爾的工藝路線重回正軌，先進工藝上追回來並不讓人意外，台積電、三星並不能小覷半導體一哥的技術實力。

7nm 之後是更先進的 5nm、3nm、2nm 和 1.4nm，其中 5nm、3nm 和 2nm 處在路線發現階段，分別計劃在 2023 年、2025 年和 2027 年採用，2029 年擬開始採用 1.4nm 工藝。

同時，英特爾或也將在 5nm 工藝階段放棄 FinFET 電晶體，轉向 GAA 環繞柵極電晶體。

其財務長也曾指出，英特爾要進行 10nm 量產、7nm 提速、5nm 投資，考慮到這部分技術交集主要集中在 2020~2021 年，也必然會影響到英特爾毛利率。

從流程路線圖來看，英特爾將按照每兩年一次主要節點更新的節奏進行。

而 3nm，排到了 2025 年來實現。

決戰 3nm 面臨的挑戰

①雖說現在台積電和三星的 7nm EUV 產品已經步入正軌，但當先進工藝推進到 3nm 之時，與之相關的 EUV 技術也將再次發生變化。

而這就涉及了 EUV 曝光技術的開發方面最重要的是 EUV 曝光設備的改良。

②EUV 掩膜、檢測掩膜的缺陷以及光源功率等都將影響 EUV 技術在先進工藝上的使用。

③雖然台積電、三星以及英特爾都計劃在 GAA 上有所投入，但在 3nm 初期階段就採用新型電晶體，是否能夠被市場接納，也是值得廠商思考的事情。

④如果採用 GAA 工藝，則需要導入新材料，因此製程技術上相當困難，尤其是在蝕刻部分是大挑戰。

⑤3nm 工藝節點的互連是晶片中的微小銅布線方案，它在每個節點上變得越發緊湊，造成晶片中不必要的 RC 延遲。

結尾

縱觀全球半導體製程玩家，目前僅剩三足鼎立：英特爾、三星和台積電。

而其中真正卯著勁在攻堅 3nm 的，其實只有三星和台積電兩家而已。

從市場份額來看，台積電暫時領先。