摩爾定律臨近終點,已是不爭的事實。
市場經濟下,企業的自主行為無可非議,反映盡管尺寸縮小的代價越來越高,工藝制程越來越艱難,但是從市場需求角度出發,仍是有利可圖。如近期ChatGPT,HPC,CPU,GPU,服務器等芯片的市場高聳,英偉達GPU的H100價格,每片高達35,000美元,仍供不應求,推動尺寸縮小繼續艱難前行。
為什么臺積電三星及英特爾,全球芯片三雄仍義無反顧地大舉進軍先進工藝制程,每年每家投資近300億美元。以下依臺積電為例來作個說明:
在45納米時,臺積電要達到貢獻20%的收入,需要爬坡兩年,而28納米時,同樣貢獻20%營收要一年,在7納米時貢獻20%的收入要大半年,而到5納米時貢獻它的20%營收只要一個季度。足以表明盡管先進工藝制程的投入大,但是由于每個代工硅片的單價迅速提升,推動其營業收入增長。
今年臺積電第一代3納米制程其最大客戶是蘋果A17處理器。臺積電指出,N3制程需求強勁,并會在下半年大幅成長,將支援HPC及智慧型手機平臺,預期將占2023年晶圓營收比重4~6%。
英特爾中國區總裁兼董事長王銳在2023年三月的一次活動中表示,公司已完成Intel 18A(1.8nm)和Intel 20A(2nm) 制造工藝的開發。其中,Intel 20A計劃于2024年上半年投入使用,進展良好的Intel 18A制造技術也將提前到2024年下半年進入大批量制造(HVM)。上述制程或將有部分利用High-NA EUV光刻機。
依臺積電2022年營收750億美元計,它的5納米營收占26%,為195億美元及7納米占27%為202億美元。
定律仍艱難緩行
業界對于定律終止的討論,各有所見,由于站立的角度不同,難分伯仲。
一個不爭的事實,投資越來越大,已到咋舌地步。
隨著 2013年 FinFET 晶體管的推出,芯片設計成本開始飆升,近年來隨著 7 納米和 5 納米級工藝技術的發展,芯片設計成本奇高。據國際商業戰略 (IBS) 最近發布了有關 2nm 級芯片設計費用的預估,相當大的 2nm 芯片的開發總計將達到 7.25 億美元。
媒體The Information認為,臺積電在 2025 年下半年開始量產時,每片 N2 晶圓的代工收費將達到 24,570 美元,與 N3 相比上漲近 25%。
另外,從臺積電在美國投資建廠資料,已從原來的120億增至400億美元,共建兩條線,總計月產能5萬片,計劃從2024年開始4納米量產啟步,現在推遲至2025年,并計劃在2026年開始3納米實現量產。
業內認為當高數值孔徑NA 0.55 EUV光刻機每臺售價超過3億美元在2納米及以下生產線中導入時,其生產線每萬片投資將高達160億美元。
一個不可否認的現實進入3納米級后,由于芯片制造過程中的隨機誤差增多,成品率下降,剛開始時50%左右,現階段才剛達到約80%。
尺寸縮小歷程
業界公認推動半導體業進步有兩個“輪子”,一個是尺寸縮小,另一個是硅片直徑增大,不容懷疑依尺寸縮小為主,原因是硅片直徑的增大,涉及的因素太多,投資太大。在2000年左右開始導入12英寸硅片,目前已經逐漸成為主流,占硅片總量約60%,下一步18英寸硅片尚無聲息。
半導體的尺寸正以每代縮小70%的規律進步。從90nm,65nm,45nm,推進到32nm、22nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm、3nm和2nm。業內有個通用說法,基本上沿著每兩年前進一個工藝臺階,現階段已達3納米。
之前晶體管的特征尺寸與柵長對應,然后從28納米后釆用3D finfet結構,實際上已與柵長無關,顯然由于各家都自定義工藝尺寸,導致業內誰占先的爭論有時會發生。
另外較為關鍵的工藝節點,2013年英特爾首創3D finfet結構,晶體管形狀在28/22nm之前是平面的,從16nm開始的FinFET結構和從2nm開始的Gate-All-Around(環柵GAA)的變化,如果不采用新的結構,就無法達到預期的性能。
另一個關鍵點,即便finfet結構到7納米時,也難前行,必須放棄光學方法,而采用價格昂貴的EUV光刻機設備輔助,由此表明采用光學方法,加上多次圖形光刻技術幫助,其極限工藝尺寸只能實現7納米。
至少到目前為止,2025年能進入2納米,已無異議,隨后所謂進入的1.8納米等,全球有多家半導體巨頭仍有興趣。不管如何硅原子的直徑約0.2納米,到約5個硅原子厚度,可能是硅基材料的終點。
光刻機是攔路虎
討論半導體業中的尺寸縮小,無法繞過光刻機的進步。
一代器件,一代工藝,一代設備,半導體設備處于產業鏈的上游,具有舉足輕重的地位。如果缺乏設備的輔助,工藝進步將成為“無根之木”。
為什么美國早在幾年之前就控制中芯國際的首臺EUV出口,是早有預謀,試圖將中國大陸的芯片制程牢牢地鎖死在7納米水平。這樣未來與臺積電等的工藝差距越來越大,其招數可以說是十分兇狠的。
在眾多半導體設備中光刻機可能是最難啃的設備,難度極大,涉及產業鏈。同時因為它在整個芯片制造中,占用約40%-50%的工藝時間,及約占30%的芯片制造成本。
光刻設備中,光源的波長將直接影響到分辨率,因此業內不斷地縮短光源波長,從G線的436nm,I線的365nm,KrF的248nm,及ArF的193nm,如果在硅片與鏡頭之間加上水介質,即成為193nm浸液式光刻機,可以等效成波長134nm,直接跳過157nm所謂光學波長的極限。再往下走只能采用EUV光源,波長為13.4nm,第一代數值孔徑為0.33,即便同樣采用多次曝光技術,其極限尺寸約為3nm,因此目前業界急待0.55的高數值孔徑EUV設備到來,預計2024年ASML推出,至2025-2026年進入2納米及以下制程使用。
結語
推動全球半導體業進步,尺寸縮小仍是主力,然而由于客觀規律,定律終將接近終點,尺寸縮小的時程會增長,但是不會阻礙產業的持續進步,近期ChatGPT紅火,加上Chiplet及先進封裝等綜效,預期全球半導體業至2030年時可達萬億美元。
在市場需求方面,臺積電董事長劉德音稱,臺積電3nm制程市場需求非常強勁,可能已有9家客戶,3nm制程量產今年開始,蘋果是它的客戶,每年帶來的收入都會大于同期的5nm。根據估計,3nm制程量產的5年內,將會釋放全世界1 .5萬億美元的終端產品價值。
(來源:求是緣半導體聯盟)