7nm還沒結束，5nm之爭已提前到來，台積電和三星同台競技誰更強？

2020年，半導體製程工藝實現了技術性跳躍，從7nm邁入了5nm，能夠同台PK的玩家僅剩台積電和三星。

對於5nm技術進展，台積電在4月16日的財報會議上表示，台積電5nm將於2020年下半年大規模量產，預計全年可貢獻約10%的營收。

而7nm與6nm將帶來30%的營收。

另一邊，三星也在加碼投資部署5nm製程工藝，預計6月底5nm EUV生產線就能建設完畢，最快今年年底開始生產5nm。

可以看到，今年的晶片製程工藝之爭中，最令人矚目的不是7nm，也不是6nm，而是5nm。

7nm與5nm差距在哪？

半導體製程技術從7nm邁入5nm，將為晶片性能及工藝效率等帶來極大程度的提升。

尺寸越小意味著在相同面積之內可以儲存更多的電晶體，從而達到更快的運行速度，並降到能耗。

製程工藝的進步將會為晶片帶來哪些屬性的提升呢？5nm製程工藝目前還沒有商用，我們不妨用10nm和7nm做個對比。

以華為麒麟處理器來看，從麒麟970（台積電10nm製程工藝）到麒麟980（台積電7nm製程工藝），其電晶體數量從55億上升至69億，同比增長25.5%，這也導致其CPU性能提升50%、GPU性能提升100%、NPU性能也提升了100%。

當然，製程工藝的提升除了會改變處理器的性能外，還會降低功耗、縮短產品研發周期等，這也是行業不斷提升晶片製程工藝的原因所在。

按照全球IC晶圓廠技術演進路線來看，在2020年這個時間節點上，僅台積電和三星實現5nm量產。

其中，格羅方德和聯電基本已經放棄了7nm製程工藝的研發；英特爾目前還在研發7nm；中芯國際的7nm製程工藝將於2020年年底實現量產。

在對比台積電和三星兩家5nm工藝方面，由於兩家企業對製程工藝定義的標準不同，很難界定孰好孰壞。

但根據此前雙發公布的信息來看，他們5nm主要的對比對象是上一代的7nm工藝，我們不妨先來看看兩家企業7nm技術的差異化。

從工藝數據方面來看，國際公認的半導體專家和IC Knowledge的創始人Scotten Jones 給出的對比如下：

基於此數據，Scotten Jones得出的結果是，這兩家7nm工藝在電晶體密度上非常接近，但台積電的產能會高於三星。

也就是說，三星第三代7nm工藝與台積電第二代7nm工藝相當，那麼他們5nm工藝究竟如何呢？

三星暫時落後

三星電子高管在2020年3月份的股東大會上曾表示，三星與台積電在代工業務方面存在差距，但三星將利用新工藝的領先優勢來發展代工業務。

這也暗示著，三星即將量產的5nm工藝與台積電的存在著差距。

早在2019年4月16日，三星便宣布5nm FinFF工藝技術已開發完成，可以為用戶提供樣品，預計將在2020年下半年量產。

具體來看，三星曾透漏，5nm工藝將使用相同的7LPP電晶體SRAM並提供GR兼容性。

5LPE與7LPP相比具有許多優勢，具體取決於選擇的遷移路徑。

通過增強電晶體的改進，三星聲稱在使用5LPE 7.5T庫時其7LPP工藝的性能提高了10％。

同時，三星還增加了單鰭器件低泄漏器件，它們可將功耗降低20%。

據韓國商業報報導，三星正加速在韓國華城建造的5nm工廠，預計6月份完成建設，最快年底可以生產5nm工藝，目前三星收到了高通的訂單，以現在的時間線來推算，三星可以在年底量產高通X60 5G數據機晶片組。

除了高通外，谷歌也正式宣布，公司自研的SOC已經流片，將有望在Pixel系列手機上搭載。

這顆晶片代號叫「Whitechapel」，搭載的是8核CPU，將採用三星5nm工藝製程。

另外，據韓國商業報報導，由於受疫情影響，荷蘭ASML公司很難將設備出口，這給三星、台積電等在內的全球半導體廠商帶來了負面影響。

業內人士表示，荷蘭ASML設備交付影響了三星、台積電這兩家巨頭的研發、生產進度，其中三星遭受的損失會更大。

由於三星去年購買的EUV設備部分用於DRAM生產，導致量產5nm工藝所需的EUV設備數量不夠，與台積電相比有較大差距。

台積電遙遙領先

在5nm電晶體密度方面，據台積電此前透漏，台積電5nm將繼續使用荷蘭ASML EUV光刻機，相比於第一代7nm電晶體密度可猛增80％(相比第二代則是增加50％)。

關於這一點，WikiChips也根據台積電一篇論文中的電晶體結構側視圖給出了分析結果，台積電5nm的柵極間距為48nm，金屬間距則是30nm，鰭片間距25-26nm，單元高度約為180nm，照此計算，台積電5nm的電晶體密度將是每平方毫米1.713億個。

相比於初代7nm的每平方毫米9120萬個，這一數字增加了足足88％，而台積電官方宣傳的數字是84％。

相比初代7nm工藝，台積電曾透漏5nm將提供1.8倍的密度，實現15%-30%的性能提升，其中，5nm的HPC選項將提供最高達25%的性能提升。

在設備方面，台積電計劃為5nm開設一座新的晶圓廠Fab 8，重新引入多台新光刻機，但是目前EUV光刻機的平均日常功率只有145W，部分可以持續幾周做到250W，都不足如完全投入商用，預計2020年下半年才能達到300W，這與台積電5nm工藝量產規劃相符。

在客戶方面，台積電曾透漏，其5nm訂單已經滿載，客戶包括蘋果、華為海思、AMD、比特大陸等。

據台灣經濟日報報導，受疫情持續發酵影響，華為已經砍掉了部分台積電代工的麒麟1020處理器訂單，而這部分5nm訂單已被蘋果填補。

報導還指出，蘋果還要求台積電在2020年第四季度追加1萬片產能，和AMD等公司搶奪下半年5nm二代製程產能。

寫在最後

具體來看，三星與台積電的5nm工藝在電晶體密度、性能提升、功耗、量產時間及規模方面都有很大的差距。

但我們看到，5nm之後還有3nm甚至2nm，三星在3nm工藝的表現能否超越台積電，以及中芯國際是否能夠趕上三星和台積電在製程工藝技術的步伐，值得期待！