全球首家!台積電官方宣布:正式啟動2nm工藝研發

文章推薦指數: 80 %
投票人數:10人


【新智元導讀】近日,全球知名半導體公司台積電官宣:正式啟動2nm工藝的研發,工廠設置在位於台灣新竹的南方科技園,預計2024年投入生產。

7nm,5nm,3nm,現在終於開始進入2nm了!

幾十年來,半導體行業進步的背後存在著一條金科玉律,即摩爾定律。

摩爾定律表明:每隔 18~24 個月,集成電路上可容納的元器件數目便會增加一倍,晶片的性能也會隨之翻一番。

然而,在摩爾定律放緩甚至失效的今天,全球幾大半導體公司依舊在拚命「廝殺」,希望率先拿下製造工藝布局的制高點。

英特爾終於進入 10nm 工藝時代並將在後年轉入 7nm,台積電、三星則紛紛完成了 7nm 工藝的布局並奔向 5nm、3nm。

而就在近日,台積電官方宣布:正式啟動2nm工藝的研發

據官方宣布,工廠將落腳在台灣新竹的南方科技園,預計研發工作將於2024年完成並投入生產

台積電:全球第一家官宣2nm工藝

從2018年末到2019年,隨著7nm製程工藝逐漸進入消費領域,台積電和三星都已經談到了他們對5nm和3nm工藝節點的計劃。

而根據近期的消息,台積電有了更多的運作計劃,將工藝推進到3nm,甚至2nm!台積電也是全球第一個宣布開始研發2nm工藝的廠商。

台積電廠務處處長莊子壽表示:

台積電在台灣的第一家3nm工廠將於2021年投產,並將於2022年實現大規模生產。

與此同時,為了對抗三星的競爭,台積電正在推進2nm製程的研發和生產計劃。

而就在幾天前,台積電在台灣新竹的3納米研發廠房順利通過環評,預計可順利趕上量產時程。

台積電也透露預計把五年後的 2 奈米廠研發及量產都放在新竹,選址部分原因是為避免人才流失,目前台積電在新竹有約7000名半導體製程研發人才。

按照台積電給出的指標顯示,2nm工藝是一個重要節點,Metal Track(金屬單元高度)和3nm一樣維持在5x,同時Gate Pitch(電晶體柵極間距)縮小到30nm,Metal Pitch(金屬間距)縮小到20nm,相比於3nm都小了23%。

台積電沒有透露2nm工藝所需要的技術和材料,看電晶體結構示意圖和目前並沒有明顯變化,能在矽半導體工藝上繼續壓榨到如此地步真是堪稱奇蹟,接下來就看能不能做到1nm了。

當然,在那之前,台積電還要接連經歷7nm、6nm、5nm、3nm等多個工藝節點。

其中,7nm+ 首次引入 EUV 極紫外光刻技術,目前已經投入量產;6nm 只是 7nm 的一個升級版,明年第一季度試產;5nm 全面導入極紫外光刻,已經開始風險性試產,明年底之前量產,蘋果 A14、AMD 五代銳龍 (Zen 4 都有望採納);3nm 有望在 2021 年試產、2022 年量產。

全球主流半導體公司工藝水平大比拼

接下來,對不同晶片生產商的製造技術進行了一個排名,如下表所示,可以較為便捷地了解哪種工藝更為先進。

表中密度以MTr/mm2計算,其代表每平方毫米數百萬個電晶體。

截至2019年1月,英特爾的10nm技術依然領先於台積電和三星的7nm技術。

來源:根據公開數量整理

有一點需要注意,上述數字在某些情況下是近似的。

但是,這不會影響排名。

如果更深入地研究這個問題,英特爾的10nm比台積電7nm的SRAM稍微密集一些。

但台積電的7nm實際上比英特爾的邏輯單元更密集,這使事情變得更加複雜,卻很有意思。

由於英特爾的10nm還沒有大規模生產,台積電的7nm是目前市場上明顯的贏家。

接下來,對比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特爾等不同製造商的不同工藝節點都有什麼特點。

台積電

台積電是目前世界上最大的獨立半導體代工製造商。

台積電與世界上一些最大的晶片設計商合作,如Nvidia,AMD,高通,蘋果,華為和聯發科。

截至2019年1月,台積電憑藉其7nm製造工藝引領新一代的高端技術競爭,該工藝已經開始批量生產,iPhone XS和華為Mate 20 Pro等頂級手機品牌都採用了這一技術。

7nm

首先,讓我們看看最近一年來炒作最火熱的台積電7nm工藝。

TSMC的7nm工藝實際上有多種變體,7nm FF/FF+(FinFET和FinFET+)的電晶體密度約為96.49 MTr/mm?,7nm HPC的電晶體密度為66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工藝是TSMC自身10nm工藝密度的1.6倍。

此外,與10nm技術相比,7nm工藝可使性能提高20%,功耗降低40%。

目前該技術主要用於:A12 Bionic(iPhone XS Max),Snapdragon 855,Kirin 980,Zen 2(Ryzen 3000 Series)。

10nm

台積電的10nm節點工藝的密度為60.3 MTr/mm?,是自身12nm/16nm節點密度的2倍多,速度提高了15%,功耗降低了35%。

目前該技術主要用於:Apple A11 Bionic,Kirin 970,Helio X3。

12nm/16nm

與20nm工藝相比,台積電16nm的速度提高近50%,功耗降低60%,其密度為28.2 MTr/mm2。

台積電的12nm技術或多或少是一種營銷噱頭,類似於他們的16nm節點。

這個12nm節點只是它們重新命名的16nm工藝,具有更好的柵極密度和較少的優化。

12nm工藝的估計密度約為33.8 MTr/mm?。

台積電的12nm和16nm工藝為麒麟、聯發科處理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服務。

主要用於:Nvidia圖靈GPU(GeForce 20系列),麒麟960,麒麟659,麒麟710,Helio P60,Helio P70,Apple A10 Fusion處理器。

英特爾

英特爾是全球第二大晶片製造商。

曾幾何時,英特爾在半導體市場處於絕對的領先地位,但其10nm工藝的一再延遲使其在高端技術上已經相當落後。

7nm

2018年12月,英特爾宣布他們正在開發7nm工藝,並且正在按計劃進行。

英特爾7nm工藝將使用EUVL(極紫外光刻)製造,預計電晶體密度將達到242 MTr /mm?,是10nm工藝 的2.4倍。

現狀:正在進行中。

10nm

英特爾的10nm工藝最初預計將於2016年首次推出,但截至2018年底,它已被推遲3次!

英特爾10nm工藝密度約為100 MTr /mm?,是14nm工藝的2.7倍。

從這一點看,英特爾的10nm相當於其他公司所標榜的7nm技術。

現狀:英特爾正在努力提高良率,可能在2019年末進入批量生產。

用於:Core i3-8121U處理器。

14nm

英特爾的14nm工藝電晶體密度估計為43.5 MTr/mm?。

截至目前,從Broadwell到Coffee Lake,都擁有相同的14nm技術,已用於其5代處理器之中。

然而,這款14nm技術仍然優於台積電的16nm/12nm和三星的14nm技術。

英特爾還推出了14nm+和14nm++,只是進行了微小的改進。

主要用於:英特爾的第5代,第6代,第7代,第8代和第9代移動和桌面處理器。

由於10nm節點的延遲,英特爾簡單地改進了他們的14nm節點,在性能和功耗方面略有改進,並將它們命名為14nm +和14nm ++。

這些只是微小的改進,並沒有進行電晶體密度微縮。

三星

2017年7月,三星取代英特爾成為全球最大的晶片製造商。

對於幾乎相同的工藝節點,三星晶片的電晶體密度與TSMC相當。

三星為高通、蘋果、Nvidia和許多其他廠商生產晶片,並且還將其14nm工藝許可給GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次採用EUV技術生產了7nm晶片,工藝密度為95.3 MTr/mm?。

相比10nm技術,性能提高了20%,同時功耗降低了50%。

現狀:已進入批量生產。

8nm

三星的8nm工藝也稱為8nm LPU(Low Power Ultimate),它只是其10nm工藝的延伸。

就電晶體密度而言,它與台積電的7nm HPC工藝非常相似,其密度為61.18 MTr/mm?。

該技術用於製造Exynos 9820晶片,將在2019年即將推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用於:Exynos 9820處理器。

10nm

三星10nm工藝有兩種變體,10nm LPE(Low Power Early)和10nm LPP(Low Power Plus)。

其第二代工藝(10nm LPP)性能提高了10%,密度為51.82 MTr /mm?,是14nm工藝密度的1.6倍。

適用於:Snapdragon 835,Snapdragon 845,Exynos 9810,Exynos 8895,Exynos 961。

11nm

與14nm LPP(Low Power Plus)工藝相比,11nm LPP(Low Power Plus)工藝可提供高出15%的性能。

但是,功耗保持不變,這個過程更像是對14nm工藝的擴展。

用於:Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工藝是其最廣泛使用的製造節點之一,該工藝的電晶體密度為32.5 MTr /mm?,主要用於Nvidia的GeForce 10系列,以及許多Qualcomm和Exynos晶片。

它有多種變體,14nm LPE(Low Power Early)和14nm LPP(Low Power Plus)。

用於:Nvidia GeForce 10系列,Snapdragon 820,Snapdragon 821,Exynos 8890,Exynos 7870。

GlobalFoundries

GlobalFoundries(格羅方德,格芯)是一家美國半導體公司,為高通、AMD和Broadcom等各種品牌製造處理器。

7nm

此前,得益於三星背後的支持,GlobalFoundries的7nm走在前列,而且2018年3月還邀請少數資深記者前往旗下最先進的紐約Malta的Fab 8工廠,介紹他們計劃向7nm EUV光刻技術推進。

然而,計劃趕不上變化。

18年8月宣布,出於經濟因素考慮,擱置7nm LP項目,將資源回歸到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

儘管曾有許多業內專家估計它的7nm技術比台積電的7nm還要更加密集,但GlobalFoundries目前已經停止了他們的7nm開發,已經不會再與台積電競爭。

按照AnandTech的報導,GF的5nm和3nm研發也將終止,已經逐步停掉與IBM矽研發中心在這方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工藝的性能比其前代產品提高了15%,密度提高了10%。

Ryzen 2000系列便基於其12nm節點技術。

當前,GF的12nm/14nm多用在AMD的銳龍處理器(Ryzen 2000 Series)、Radeon GPU上,12FDX/22FDX則可以提供優質的性價,可用於集成模擬和射頻組件上,如5G基帶。

用於:Zen +架構產品(Ryzen 2000 Series)。

14nm

GlobalFoundries實際上從三星那裡獲得了14nm技術。

用於:AMD Vega系列,Ryzen第二代APU,Radeon 500系列。

目前,GlobalFoundries已經停止一切與7nm工藝有關的投資研發,轉而專注現有的14/12nm FinFET工藝和22/12nm FD-SOI工藝,提供包括射頻、嵌入式存儲器和低功耗等一系列創新IP及功能,並調整相應研發團隊來支持新的產品組合方案,這一選擇可能和最近幾年窘迫的財務狀況有關。

中芯國際

據最近報導,中芯國際在14nm FinFET技術開發上已經獲得重大進展,良率已高達95%,其第一代FinFET技術研發已進入客戶導入階段,並且將在今年上半年投入大規模量產。

同時,12nm的工藝開發也取得突破。

中芯國際的14nm/12nm進展,對於中國集成電路產業來說是一個極大利好,但是與全球的先進技術相比,中國還比較落後,還需要整個產業共同努力,以便早日在世界高端晶片製造領域占據一席之地。

參考連結:

wccftech:https://wccftech.com/tsmc-2nm-research-taiwan/

eetimes:https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1333109&page_number=2

tweaktown:https://www.tweaktown.com/news/66264/tsmc-announces-work-begun-next-gen-2nm-node/index.html


請為這篇文章評分?


相關文章 

主流晶片製造廠工藝水平如何

半導體行業似乎離普通人很遙遠,只是近一年多來中美貿易戰的爆發,將集成電路製造技術推向了媒體的聚光燈下,鋪天蓋地的報導成為眾所關注的焦點。諸如,工藝技術節點是什麼,它和處理器(CPU)有什麼相關性...

晶圓代工演繹三國殺 英特爾示威三星、台積電

「老虎不發威,你以為是病貓嗎?!」9月19日,當被第一財經記者問及如何看待摩爾定律已經失效的質疑時,英特爾公司全球副總裁兼中國區總裁楊旭直接明了地亮出態度。今年以來,被三星在營收上超越,被台積電...

格羅方德放棄7nm工藝 並嘲諷了一把摩爾定律

摩爾定律在最近的幾年進展緩慢,英特爾的14納米工藝已經發展到第3代,未來是否會有第四代甚至第五代目前無人知曉。英特爾持續改良14nm工藝也是迫不得已,畢竟10nm良率一直未能達到英特爾大規模生產...

摩爾定律依然有效

9月19日,半導體龍頭廠商英特爾在北京舉辦「精英製造日」活動,英特爾此舉意在解釋外界的三大疑惑:摩爾定律是否有效、10納米開發進度以及晶圓代工策略。需要指出的是,在此英特爾會議之前,半導體產業界...