臺積電三星激戰的3nm，會(huì )是先進(jìn)制程關(guān)鍵節點(diǎn)嗎？

與兩年前相比，三星3nm今年的關(guān)注度明顯降低，有其自身原因，更多的可能還是技術(shù)市場(chǎng)的風(fēng)云變化。

最近，臺積電終于公開(kāi)承認了自己的3nm計劃，并表示四月份將會(huì )公布具體技術(shù)細節。終于，半導體制造業(yè)這場(chǎng)決定未來(lái)制程走向的關(guān)鍵一役——3nm技術(shù)之戰還是來(lái)了。

迄今為止，在3nm制程上，業(yè)內只有兩家公司具有此競爭能力，一家是臺積電，另一家是三星。

其實(shí)在臺積電之前，三星早已公布了其3nm工藝細節，也一直在3nm上呈現領(lǐng)跑態(tài)勢。最近它剛剛宣布自己已經(jīng)成功研制出首款3nm工藝芯片的消息，采用的技術(shù)正是此前盛傳的GAAFET技術(shù)，并表示其在技術(shù)完成度上獲得了遠超預期的表現。

可以說(shuō)，從公布的消息來(lái)看，相較于臺積電，三星要靠譜的多。但有些出乎意料的是，三星方面的消息傳出來(lái)后，反響平平，似乎也沒(méi)有受到太多關(guān)注。

三星3nm計劃到底存在什么問(wèn)題？

三星加碼代工，力推3nm量產(chǎn)

首先，我們來(lái)看它拿下3nm有多厲害？

如果三星能夠順利搶先將該工藝推向量產(chǎn)，延續摩爾定律不說(shuō)，從現有的技術(shù)格局來(lái)看，它完全可以憑此一舉PK掉基于FinFET的3nm工藝，翻身?yè)寯嗯_積電現有的尖端工藝市場(chǎng)份額，并有機會(huì )成長(cháng)為全球第一大晶圓代工廠(chǎng)。

因此，對三星和臺積電來(lái)說(shuō)，3nm之爭更像是一場(chǎng)與時(shí)間的賽跑，看的是誰(shuí)先量產(chǎn)。而三星可以說(shuō)是已經(jīng)占了先機。

早在2018年，三星就公布了自己在3nm制程技術(shù)上的規劃，并表示將會(huì )搶占未來(lái)高性能計算和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。

當時(shí)三星給出了清晰的技術(shù)規劃，并且三星晶圓代工業(yè)務(wù)市場(chǎng)副總Ryan Sanghyun Lee也公開(kāi)表示，三星從2002年以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)GAA技術(shù)。后來(lái)在去年年中舉辦的“2019三星代工論壇”上，三星電子更是直接將3nm工程設計套件發(fā)送給了現場(chǎng)的半導體設計企業(yè)。

圖 | 三星晶圓代工業(yè)務(wù)市場(chǎng)副總Ryan Sanghyun Lee

可以說(shuō)，正是因為對3nm保持著(zhù)長(cháng)期而巨大的投入，三星才能將成果推進(jìn)到今天的量產(chǎn)前夜。而正如當時(shí)做成存儲的決心和毅力，三星在代工業(yè)務(wù)上的堅持其實(shí)有些超乎意料。

在2015-2016年期間，三星曾一度奪走了臺積電不少大客戶(hù)的訂單，實(shí)現了收入的大幅度增長(cháng)。后來(lái)盡管因為智能手機衰退和臺積電先進(jìn)制程而導致銷(xiāo)售額下降，跌落到了全球第四的排名。但是三星仍然沒(méi)有絲毫放棄的勢頭，2018年初，在韓國首爾舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星方面就對外表示，目標就是先超聯(lián)電和格芯，再超臺積電。

從最近2019年第四季度統計的排名我們可以看出來(lái)，三星延續了前三季度的優(yōu)勢，以市占率17.8%穩穩當當地占據了僅次于臺積電的第二位，而排在第三的格芯僅有8%。

有分析表示，這些年為了與臺積電在爭奪先進(jìn)制程工藝市場(chǎng)話(huà)語(yǔ)權方面，三星下足了功夫——投資、獨立代工業(yè)務(wù)、挖人等。而取得現在的成果，三星代工技術(shù)能力和客戶(hù)認可度的提升功不可沒(méi)。

相比較來(lái)看，雖然在現有市場(chǎng)臺積電的地位難以撼動(dòng)，但是在3nm技術(shù)上，僅僅有造廠(chǎng)的消息傳出，官方一直沒(méi)有對外透露更多，其3nm計劃看起來(lái)更“虛無(wú)縹緲”。

3nm GAA攻堅戰

因此回到三星3nm不受關(guān)注問(wèn)題上，我們很難不去重新審視一下技術(shù)。

三星采用的是3nm GAA。

此前比利時(shí)微電子研究中心曾發(fā)表研究報告公開(kāi)表示，環(huán)繞式閘極（GAA）電晶體將是未來(lái)最有可能突破7 納米技術(shù)以下FinFET工藝的“候選人”。

GAA晶體管在通道的所有側面都有一個(gè)柵極，用于克服FinFET的物理縮放比例和性能限制，包括電源電壓。與現在的FinFET Tri-Gate三柵極設計相比，GAA技術(shù)因為重新設計晶體管底層結構，克服了當前技術(shù)的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。

在該技術(shù)方向下，主要有納米線(xiàn)、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線(xiàn)和納米環(huán)技術(shù)四大主流方向，三星采用的是MBCFET（Multi-Bridge Channel FET），即板片狀結構多路橋接鰭片。

三星認為主流的納米線(xiàn)GAA技術(shù)溝道寬度較小，因此往往只能用于低功率設計，并且制造難度比較高，因此沒(méi)有采用這種方案。

據三星介紹，它在其PDK設計中提供了四種不同的方案，可以在一顆芯片的不同部分使用，也可以直接用于制造整顆芯片。在性能方面，它與5納米制造工藝相比，3納米GAA技術(shù)的邏輯面積效率提高了35%以上，功耗降低了50%，性能提高了約30%，優(yōu)勢明顯。

其實(shí)關(guān)于GAA技術(shù)的研究，除了三星之外，英特爾、臺積電等廠(chǎng)商雖然沒(méi)有明確公布，但是對此也都有研究和積累。不過(guò)從目前的消息來(lái)看，三星3nm GAA工藝公布的信息最為詳盡。

不同于現有的7nm和5nm工藝，因為3nm節點(diǎn)將采用全新結構的MOS管，對于半導體制程發(fā)展來(lái)說(shuō)，它可以說(shuō)有著(zhù)里程碑式的意義，非常類(lèi)似于當時(shí)Intel用來(lái)推翻IBM領(lǐng)導地位的22nm。

此前，Semiengineering上有文章分析就表示，以目前技術(shù)條件來(lái)看，2nm可以被看做3nm做了微縮制程（die-shrink）處理。也就是說(shuō)，3nm以下的制程之戰，3nm是關(guān)鍵節點(diǎn)。因此我們也能夠理解，為什么大家認為三星3nm GAA一旦研發(fā)出來(lái)，它的市場(chǎng)影響力將是空前的。

但是作為行業(yè)龍頭，臺積電方面的2nm乃至1nm消息難免會(huì )給市場(chǎng)留下更多念想，這也在無(wú)形中削弱了3nm GAA的影響力，甚至有人認為3nm將可以繼續采用FinFET，而所謂的關(guān)鍵節點(diǎn)將是2nm甚至1nm。

備受爭議的三星與技術(shù)

當然不可否認，三星這項計劃自身還存有隱患。

首先，技術(shù)是好的，但是如果投入商用，成本是不得不考慮的。嚴格來(lái)說(shuō)，如果成本過(guò)高，技術(shù)胎死腹中也不是不可能。

根據IBS統計的數據，3nm 器件的研發(fā)費用大約需要5億~15億美元；制程的研發(fā)費用需要40~50億美元；一個(gè)FAB的建設運轉需要150億~200億美元，上不封頂。從研發(fā)到商用的費用，包括后期要收回成本的考慮，這對頭部代工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)“無(wú)底洞”，風(fēng)險極大。

其次，技術(shù)市場(chǎng)的動(dòng)蕩之外，三星晶圓代工廠(chǎng)最近在市場(chǎng)中的受認可度方面還是頗有爭議的。

自從三星拆分開(kāi)晶圓代工部門(mén)后，因計算方式的改變，三星自家的Exynos手機芯片生產(chǎn)也算在晶圓代工營(yíng)收當中，因此三星代工廠(chǎng)的市占率從個(gè)位數大幅增長(cháng)到十位數。而正是因數據維度有所改變，這讓業(yè)內對其業(yè)績(jì)是否真的增長(cháng)存疑，因此三星現在占據的第二位是否真的坐穩也成為了大家沒(méi)有辦法弄清楚的“糊涂賬”。

十一月份，三星韓國器興（Giheung）廠(chǎng)，因為8英寸晶圓生產(chǎn)線(xiàn)采用了受到污染的設備，導致產(chǎn)品有缺陷。三星的一名高層后來(lái)承認，稱(chēng)損失估計達數十億韓元。

12月31日，韓國華城園區又傳出來(lái)停電時(shí)間，三星電子部分DRAM和NAND芯片生產(chǎn)線(xiàn)被迫中止，稱(chēng)要兩三天左右才能完全恢復，損失也是慘重。

...

接二連三，三星代工廠(chǎng)屢屢出事，這更是讓其在業(yè)內的信譽(yù)受到損傷。

同時(shí)，目前來(lái)說(shuō)，GAA還不是唯一的技術(shù)方向，臺積電提出的先進(jìn)封裝是推動(dòng)制程發(fā)展的保守做法，而探索硅之外的新材料更是被業(yè)內認為是從根本上改變現有制程工藝限制的方向，這其中包括采用InGaAs、鍺納米線(xiàn)等新材料的GAA晶體管。

而臺積電在5nm之后直接透露2nm工藝，更是有可能撼動(dòng)市場(chǎng)現有普遍認為的3nm關(guān)鍵節點(diǎn)的地位。

無(wú)疑，這些都讓三星在突破臺積電壟斷之路受阻。

加持新材料，3nm工藝還存在更多想象空間

據市場(chǎng)研究公司IC insights報道，從2017年至今，三星在半導體領(lǐng)域的資本支出估計為658億美元，比英特爾高了約53％，比中國所有半導體公司資本支出總和高出一倍以上。

而在晶圓代工方面，三星最近也宣布，今年第四季度的大部分投資將用于存儲領(lǐng)域的基礎設施中，EUV 7nm產(chǎn)量將繼續增加，加強自身晶圓代工的競爭力。10月中旬的時(shí)候，還傳出了三星的一份意向書(shū)，表示要向ASML訂購15臺EUV設備，總價(jià)值180億元。

三星的決心由此可見(jiàn)。

但是隨著(zhù)技術(shù)的變化和市場(chǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)中未來(lái)制程工藝的變數也越來(lái)越大，因此三星3nm GAA也越來(lái)越難收到預想的克敵效果。臺積電就曾對外表示，在材料方面，III-V族材料也有可能會(huì )代替傳統的硅作為晶體管的通道材料以提升晶體管的速度。因為有研究表明，銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）與FinFET和GAAFET的集成在更小的節點(diǎn)處表現出優(yōu)異的性能；而鐵電等介電材料的引入可能會(huì )實(shí)現超陡的亞閾值坡度以降低晶體管的能耗；鈷也有可能會(huì )替代鎢和銅作互聯(lián)導線(xiàn)以增強穩定性和減緩信號延遲。

目前，“新材料+新制程工藝”兩條腿走路有望打破現有的技術(shù)瓶頸成為了主流的論調。從公布出來(lái)的信息來(lái)看，三星3nm GAA僅有制程上的進(jìn)步，與臺積電現在的布局相比，它缺失了材料方面的積累與探索。因此越遲發(fā)布，其先發(fā)的優(yōu)勢效應也有可能越小。

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