5nm怎樣給摩爾定律續命？巨頭開打製程之戰2.0，祭出三大殺器

智東西（公眾號：zhidxcom）

文 | 韋世瑋

摩爾定律似一把離弦的箭，自1965年穿越了半個多世紀，掠過無數狼煙四起的晶片製程戰場，這次它又將穩穩地瞄準5nm製程賽的靶心。

回味上一場由台積電和三星攪起的7nm製程戰局，戰事尚未真正落下帷幕，然而在業界普遍看來勝負已分。

但晶片製程這片江湖從不缺刀光劍影與稱霸的野心。

先進位程的紛爭一波未平一波又起，台積電和三星這兩位「宿敵」，正緊鑼密鼓地籌備新一輪5nm戰事。

而2019年，也就成了這兩家接連喊話5nm製程戰局的一年。

這廂三星剛公布技術路線圖，談流片、談量產、談合作；那廂台積電就緊接迎來試產階段，秀良率、秀產能，你方唱罷我登場。

另一旁沉默許久的老勢力英特爾也蠢蠢欲動，前些日子宣布它將在幾年內重回7nm戰局，並首次談及5nm研發，欲搶下5nm賽局為數不多的「早鳥票」。

縱觀今天下大勢，隨著5G和AI技術的發展，以及大數據的爆炸式激增，未來新產業、新應用的計算需求和功耗也正等著5nm晶片戰果的嗷嗷待哺，催促著整個半導體產業鏈不斷衝刺物理極限的天花板，火拚先進位程給摩爾定律續命。

刀鋒至此，台積電、三星、英特爾摩拳擦掌，5nm戰爭即將一觸即發。

有意思的是，5nm戰事與以往有著些許不同，左右局勢勝利的關鍵因素正在悄然發生變化。

5nm先進位程已不僅僅是代工廠商之間的戰爭，它亦是核心工藝和半導體材料走到極限的重要轉折節點。

那麼，這些玩家為何要奮力拚殺5nm製程？目前它們的戰局如何？若要拿下5nm製程的王座，它們又該從哪裡撬開核心工藝與新材料的突破口？

這次，智東西將目光聚焦在5nm製程預熱賽中，通過深度調查，探究晶片製程在演進背後的核心與關鍵。

在剖析它們是如何刷新摩爾定律下限的同時，我們也試圖從這場製程節點比拼的火光中窺見，這場戰爭將會對產業鏈的哪些環節帶來顛覆性的影響。

一、5nm製程：摩爾定律發展的重要轉折點

引得戰火紛紛的5nm究竟能給行業帶來什麼？

一位國內頭部晶片設計企業的技術專家告訴智東西：「從行業最直觀的受益來講，無非是讓產品獲得更高算力的同時，還能保持相同甚至更低的功耗，整體性能進一步加強。

」他這種觀點也已成為晶片行業的共識。

這也與英特爾創始人之一，戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律息息相關。

他認為，集成電路上可容納的電晶體數量，每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍。

當晶片製程演進到5nm，它電晶體的集成度和精細化程度都要比以往更高，可容納更複雜的電路設計，並將更豐富的功能融入其中。

但從目前行業的普遍應用上看，許多產品用28nm、14nm，甚至10nm就已綽綽有餘，再費勁花更高的成本與精力來研發5nm製程，暫且看來就是個賠本的買賣。

部分業內人士認為，不是所有行業都對5nm有著強勁的需求，它在現階段並非多數市場的剛需。

話雖如此，當我們把目光放至未來，隨著5G和AI技術的發展，以及全球大數據的爆髮式增長，5G智能終端、VR/AR產品、機器人、AI和超算等產品的成熟和應用，都將對晶片的性能、能耗和算力都有著更加嚴格的要求。

從另一個維度來說，業內普遍認為，晶片這類硬體的發展也將催生出新的應用生態，或是對早已成熟的市場帶來革命性的顛覆。

例如，當下因蘋果AirPods而重新迎來第二次黃金時代的TWS（真無線立體聲耳機）市場，各大廠商使用的藍牙晶片製程尚未踏入7nm領域，大多聚集在28nm至12nm中。

但隨著市場需求倒逼著藍牙晶片的發展，未來各家廠商為了能在更小的晶片中集成更多的功能與應用，也將逐漸推動藍牙晶片朝著7nm甚至是5nm製程演進。

不可否認，5nm製程的演進是各項技術和產業逐步成熟、變革的必經之路，亦是根基。

▲半導體代工廠製程路線圖

二、5nm製程戰局三足鼎立

隨著先進位程的不斷演進，工藝研發的門檻越來越高，成本與技術逐漸成為一座座製程演進的分水嶺。

目前行業中布局5nm製程的玩家，主要有台積電、三星和英特爾三足鼎立。

其中，台積電和三星的對峙最為激烈，淡出賽局許久的英特爾則在一旁蓄勢待發。

過去一年以來，5nm晶片試產、量產和良率等消息的不斷釋放，持續刺激著業界神經。

具體地說，這些玩家都在比拼些什麼呢？

從現階段玩家打出的牌面來看，它們主要在拼技術路線、研發進度、工藝性能和客戶訂單這四個方面。

1、技術路線：台積電搶先，英特爾殿後

今年6月，台積電率先出擊，將晶片代工計劃路線圖在眾人面前緩緩鋪開。

台積電的5nm研發節奏較快些，它已在今年三月進入了風險試產階段，並預估於明年2月量產。

▲台積電公布的5nm工藝進展和技術特性

緊接著，在台積電公布後的一個月，三星的研發路線圖也隨之亮相。

6nm、5nm和4nm工藝將接踵而至，三星表示5nm LPE（5nm Low Power Early）工藝將在今年內完成流片，並於明年上半年投入量產。

▲三星最新公布的晶片製程路線圖

與10nm製程相愛相殺許久的英特爾，雖然沒有對先前的7nm戰局表現出太多的熱情，但在今年10月，它也終於拋出了未來四年的規划進程，第一次喊話5nm。

相比之下，英特爾的5nm製程離量產還要晚上幾年，它也並未透露更多具體的時間和信息，僅表示目前工藝研發進程可觀，若一切正常，將在2023年正式推出。

2、研發進度：台積電產能進度可觀

三星在10月底發布的2019年Q3財報時提到，其5nm EUV工藝已進入流片階段。

這家公司還走了一條生態聯合的路線，在10月宣布自己將與ARM、新思科技（Synopsys）攜手開發一整套優化工具及IP，讓晶片廠商在三星5nm工藝的基礎上，快速打造基於ARM Herculues CPU核心的晶片。

台積電的研發進度則顯得更加直接。

據業內人士透露，目前台積電5nm的試產良率已經達到50%，且月產能也已從最初的4.5萬片晶圓漲至8萬片，幾乎翻了一番。

3、工藝性能：三星晶片功耗稍遜一成

實際上，三星的5nm LPE工藝沿用了7nm LPP（Low Power Plus）工藝的電晶體和SRAM，性能相比7nm增強了10%，邏輯效率提升25％，功耗也將降低20％。

另一方面，台積電總裁魏哲家曾表示，與自身的7nm工藝相比，其5nm電晶體密度將有80%的提升，運算速率也將提升20%，功耗則降低30%。

4、客戶訂單：三星默聲，台積電確定兩大客戶

與自身的研發進度一樣，對於目前拿到的5nm訂單，三星除了確認已有客戶外，並未放出更多訊息。

台積電的5nm良率雖還有較大提升空間，但一些大客戶看到台積電勢頭漸漲的5nm工藝，也忍不住先捷足先登搶產能。

就在上個月，台積電官方談到，自家首批5nm工藝已順利拿下蘋果和華為海思兩大客戶，將分別打造蘋果A14晶片，以及華為新一代麒麟晶片。

5nm戰局尚處於預熱賽階段，目前仍以台積電和三星的相互較勁為主要看點，而拿到5nm製程入場券的英特爾，離真正踏入賽道還有較遠一段距離。

三、5nm製程之戰的三大焦點

5nm製程之戰爆發，無疑是對摩爾定律的再一次艱難推進。

它與以往節點最大的不同在於，5nm製程將是一場涉及代工廠、設備廠和材料廠等全產業鏈戰局的大爆發，其中核心工藝、EUV設備還是半導體材料，都將走到極限。

而這，也成為了5nm製程的三大革新焦點：

1、核心工藝：FinFET與FD-SOI孰美？

從目前業內的晶片製造核心工藝來看，FinFET與FD-SOI是最重要的兩項技術，摩爾定律在它們的基礎上不斷向前推進。

關於這兩項工藝哪個更勝一籌，也一直是業界爭論的焦點。

（1）FinFET：3D電晶體設計的重要轉折點

FinFET（Fin Field-Effect Transistor）又稱鰭式場效電晶體，由加州大學伯克利分校胡正名教授發明，極大地推動了摩爾定律的發展。

作為晶片從平面器件轉向3D器件構造的重要突破口，FinFET的意義十分重大。

▲FinFET工藝結構特點

與以往的2D結構電晶體相比，FinFET工藝的特點在於，它將閘門設計成了像魚鰭般的3D結構，把以往水平的晶片內部結構變垂直，把晶體厚度變薄。

這種設計，不僅能很好地接通和斷開電路兩側的電流，大大降低了晶片漏電率高的問題，還大幅地縮短了電晶體之間的閘長。

與台積電原本的28nm HPM工藝相比，FinFET工藝的晶片柵極密度增加了兩倍，且在同等功耗下的速度提升超過40%，同等頻率下的功耗降低超過60%。

然而，FinFET的工藝製造過程較為複雜，作為先進工藝的成本也較為昂貴。

據市場研究機構Gartner統計，設計28nm晶片的成本約為3000萬美元，而16nm或14nm晶片的平均成本約為8000萬美元，7nm晶片則達到2.71億美元。

對於現在業內的許多廠商來說，他們更願意將資本投入在還有較長生命周期的28nm製程中。

（2）FD-SOI：加入絕緣體物質，優化運行速度與功耗

繼FinFET工藝之後，FD-SOI工藝的技術優勢和應用前景也慢慢地受到了業界的關注，包括三星、格芯和索尼等在內的廠商都在逐漸加大對FD-SOI工藝的投入。

FD-SOI與FinFET最大的不同在於，FinFET工藝注重電晶體的優化設計，而FD-SOI則注重晶片底襯的設計。

▲FD-SOI工藝結構特點

從架構設計上看，FD-SOI為了降低電晶體之間的寄生電容，在矽電晶體之間加入了絕緣體物質。

與FinFET相比，FD-SOI的設計和製造不僅更加簡單，還可在提高晶片運行速度的同時，降低晶片的運行功耗。

格芯曾公布數據顯示，FD-SOI工藝的光刻層比FinFET工藝少了將近50％，16nm或14nm晶片的平均成本降低20%。

也就是說，若按格芯的數據標準來計算，用FD-SOI工藝製造的22nm晶片，其性能和功耗數據與用FinFET工藝製造的16nm或14nm晶片不相上下。

但這一工藝的應用也存在難點，FD-SOI的基片價格較為昂貴，縱觀當下半導體製造業，FinFET工藝在先進位程設計中仍是主流。

（3）5nm以下工藝面臨物理極限

FinFET與FD-SOI兩大工藝各有千秋，但隨著製程推進到5nm節點，工藝技術的發展又將面臨一個新的分水嶺。

在大多數業內人士看來，現階段包括FinFET和FD-SOI在內的晶片工藝，都將在5nm製程之後失效。

到底是在現有的工藝基礎上進行改良，還是拋棄原有工藝，研發新工藝也成為了業界所關心的話題。

其實，學術界早已提出了一種全新的解決方案——GAA MCFET（多橋通道 FET）。

GAA MCFET工藝對晶片電晶體的架構都進行了全新的設計，它將晶片電晶體內部的矽通道全都用柵極材料包圍，不僅能增加電晶體的密度，降低功耗，還可進一步增加溝道的縮放潛力，提高晶片性能。

但任何一項技術從學術界走向產業界還需要長期的研究與改良。

未來，GAA MCFET是否能真的撐起5nm以下晶片製程演進的天花板，還需要等待技術與時間的驗證。

面對這一工藝節點，今年5月，三星宣布其在3nm將棄用FinFET工藝，轉而採用GAA MCFET工藝技術。

台積電雖也宣布將在今年年底啟動3nm晶圓廠建設，但關於3nm的技術細節，它卻未曾過多披露。

2、光刻機設備：EUV光刻成5nm以下必備技術

實際上，在推進摩爾定律發展的過程中，不僅僅需要晶片核心工藝的創新研發，在製造設備和製造材料方面，也要作出改變。

其中，最為核心的製造設備當屬光刻機。

▲ASML生產的第四代EUV光刻機

現階段，大多數晶片廠商使用的是一種名為深紫外光（DUV，Deep Ultra Violet）的技術，波長193nm。

隨著晶片製程的不斷演進發展，電晶體的面積和密度愈發接近物理極限，特別是從7nm開始，DUV技術在製造晶片是將會產生嚴重的衍射現象，摩爾定律的發展從設備上就已面臨瓶頸。

在這一趨勢下，從上個世紀就開始研發的極紫外（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）技術又重新被業界寄於重望。

EUV是一種採用13.5nm長的極紫外光作為光源的光刻技術，對光照強度、能耗效率和精度等都有極高要求。

雖然在7nm階段，EUV還不是必備技術，但隨著製程的推進，業界普遍認為它將是5nm以下製程的必備工具。

目前，全球僅有荷蘭ASML唯一一家公司掌握著高端光刻機的核心技術，可生產EUV光刻機。

但EUV光刻機的成本十分昂貴，每台售價高達1.2億美元，幾乎是DUV光刻機價格的2倍。

3、半導體材料：光刻膠成摩爾定律重要突破口

有了新的核心工藝和EUV光刻機就能萬事大吉？並不是。

有業內人士提到，推進摩爾定律在5nm以下的發展，並不能單純依靠核心工藝的創新與EUV設備的加持。

從材料角度來說，光刻膠等半導體材料的創新也是製程演進的關鍵所在。

今年7月1日，日韓之間的半導體材料大戰爆發，韓國用於製造半導體和零部件設備的光刻膠、高純度氟化氫和含氟聚醯亞胺三大半導體材料，均遭到日本的出口限制，對韓國部分重要的產業發展造成了不小的影響。

光刻膠則是這三類半導體材料中的重中之重。

在晶片製造過程中，曝光、顯影和刻蝕等重要工藝步驟都與光刻膠有關，耗時占總工藝時長的40%至60%，成本也占整個晶片製造成本的35%。

不難看出，半導體材料之爭也是一場硬實力的比拼。

那麼，在晶片製程演進過程中，半導體材料應用有何不同？新舊材料的分水嶺又在哪？

芬蘭半導體材料公司Pibond的資深業務總監許慶良告訴智東西，這主要可分為有機光刻膠和無機光刻膠的兩個使用階段。

有機光刻膠主要用於90nm到7nm的晶片製造中，但隨著製程推進到5nm到3nm左右時，將開始需要無機光刻膠。

這兩者最大的區別在於碳物質。

如果在5nm至3nm左右的晶片製造中繼續採用有機光刻膠，那麼，當光刻機將電路結構轉印到感光材料上時，光刻膠被曝光的部分將會變得非常模糊，這會嚴重影響後續顯影和刻蝕等工藝步驟的質量。

在他看來，5nm至3nm製程左右不僅是光刻膠材料新舊交替的一個大節點，亦是晶片製程在5nm後續演進中的一個重要突破口。

作為推進晶片製程發展的一大關鍵，新半導體材料是否能打破摩爾定律的桎梏呢？

這個問題，許慶良並未給出明確的答案。

但他思考了幾秒後，篤定地說：「材料一定是半導體未來發展的關鍵。

」

他談到，美國曾有一位著名的半導體材料巨頭表示，在未來半導體行業發展中，他將會把10%的成本投入在設備和硬體部分，而剩下的90%則將投入在材料中。

「所以未來要讓摩爾定律走下去，突破口一定是在材料，而不是設備。

」許慶良說。

▲晶圓光刻工藝流程圖

結語：摩爾定律不死，製程之戰不息

不難看出，5nm所點燃的新一輪製程之戰，不僅是一次製程的轉折點，也將是一場工藝、設備與材料的質的飛躍。

就目前看來，台積電和三星的5nm戰局預熱仍在緊張籌備中，並在未來還有雙方老對手英特爾意欲入局。

雖然三星率先提出了推進3nm製程工藝的解決方案，但這是否是雨聲大雨點小我們還不得而知。

與以往不同的是，這場製程之戰的戰火也將不再局限於代工廠或是晶片廠商之間的競爭，它亦將燒到更上游的半導體材料廠商、光刻機設備，甚至是學術界和產業界的新工藝研發中。

因此，決定這場製程戰勝負的，不再單純是設備與製程技術，隨著工藝和材料都雙雙接近極限點，能否最先實現工藝和材料的質變，也成為了晶片廠商們的勝利王牌。

那麼，經歷了5nm之後，製程之戰的演進是否又會隨著摩爾定律的緩慢發展而逐漸消亡？

倒也未必，因為在此之前，不管是學界還是業界都早已投入了巨大成本，只為從中撬出一個新的突破口。

只要摩爾定律未死，製程之戰的烽煙也將會延綿不息地傳遞下去。

摩爾定律從爆發衝刺到蹣跚前進，這場製程之戰2.0所點燃的全產業鏈戰局，是否能掙脫摩爾定律的桎梏？讓我們拭目以待。