让对手望尘莫及,三星更新技术线路图

原标题:新增8纳米LPU!三星更新技术线路图,更多黑科技被曝光

台积电率先量产7nm 工艺后,再出新动作。

电工电气网】讯

摘要:4月24日,三星电子宣布,将在未来10年内在包括代工服务在内的其逻辑芯片(主要指CPU、GPU等计算芯片)业务上投资133兆韩元 (约1158亿美元 ),以期超越台积电,成为全球第一大芯片代工厂,并维持对英特尔的领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

日前,三星在日本举办了三星铸造工厂论坛2018年会,在会上公布了多项制程工艺技术,让人耳目一新。

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现如今,晶圆代工行业可分为两档,台积电一档,其他公司一档。在台积电积极发展采用EUV技术的第2代7纳米制程后,传闻5纳米制程将于2019年4月试产。台积电凭借技术与庞大资本支出所铸成的“氮气加速系统”,让其竞争对手望尘莫及。

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在会上三星透露,7纳米工艺会在接下来的几个季度内大规模量产,同时三星将会引入8纳米 LPU工艺,最后是三星已经针对3纳米工艺进行布局,将会使用一种全新的GAAFET技术来实现3纳米制程工艺。

日前,台积电官方宣布,正式启动2nm工艺的研发,工厂设置在位于台湾新竹的南方科技园,预计2024年投入生产。

第一代7nm让台积电正式领跑今年上半年,纯代工领域的订单量上,台积电占了全球56%。随着AMD、苹果A13的青睐,台积电有望将优势扩大到60%。而对手三星、GF、联电、中芯国际都不到10%。台积电2018年的收入也大幅攀升,远超去年的1万亿新台币。台积电最早是从2微米、3微米开始做,如今在10nm之后,最新7nm工艺也已量产出货,苹果新推出的A12仿生处理器就是由台积电独家代工制造。与之前的10nm FinFET制程相比,7nm FinFET实现1.6倍的逻辑密度,20%的速度提升,以及40%的功耗减少。在7nm技术路线的选择上,台积电务实地在第一代放弃EUV,同时上马整合扇出封装技术提升可靠度,最终使得自己的进度事实超越三星,从而赢下包括华为、AMD、苹果等一众关键客户。

4月24日,三星电子宣布,将在未来10年内在包括代工服务在内的其逻辑芯片(主要指CPU、GPU等计算芯片)业务上投资133兆韩元 (约1158亿美元 ),以期超越台积电,成为全球第一大芯片代工厂,并维持对英特尔的领先,坐稳全球第一大半导体厂商的宝座。

三星表示,已经在韩国的工厂中配备了多台ASML Twinscan NXE:3400B EUV光刻机,价值6万亿韩元的EUV产线也预计2019年竣工,将会在2020年开足马力全力生产。

不过台积电方面并没有给出2nm工艺所需要的技术和材料,看晶体管结构示意图和目前并没有明显变化。但是按照台积电给出的指标,2nm工艺是一个重要节点,Metal Track和3nm一样维持在5x,同时Gate Pitch缩小到30nm,Metal Pitch缩小到20nm。也就是说,2nm制程相比于3nm要小了23%。

EUV加持,第二代7nm又甩开老对手三星一个山头半导体先进制程进到10纳米之下,微缩技术更加复杂,牵扯设计已经不止电路线设计,还有光刻、晶体管架构与材料等等,也让EUV极紫外光光刻成为关键技术。过去半导体生产使用波长193纳米的深紫外曝光,但制程发展到130纳米时便有行业人士提出,需用极紫外光刻。EUV成为7纳米的关键技术,也是台积电、三星两大厂商技术竞逐的节点。材料供应商分析指出,导入EUV制程可以减少30个掩膜,至少能省下一个月的制程时间,进一步探讨EUV的技术脉络,为了要制造出EUV的波长电浆,必须将锡融化之后,用每秒约5万颗频率滴在真空腔体中,然后用激光以每秒10万次发射频率将液态锡蒸发成电浆,以产生EUV所需要的波长,因此激光所需要的功率以及轰击锡珠精准度,就成为EUV制程技术的“bottleneck”。

据介绍,该笔投资将包含73兆韩元的国内研发,以及60兆韩元的生产基础设施,预计将为每年平均投资11兆韩元。

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在第二代7nm工艺(CLNFF /N7 ),台积电将首次应用EUV,不过仅限四个非关键层,以降低风险、加速投产,也借此熟练掌握ASML的新式光刻机Twinscan NXE。相较于第一代7nm DUV,第二代7nm EUV具体改进程度公布得并不多,台积电只说能将晶体管密度提升20%,同等频率下功耗可降低6-12%。

韩国政府积极支持这项计划,目标在发展国内半导体产业,以减少国内对存储芯片业务的严重依赖,并更好地抵御中国制造商崛起所带来的市场挑战。

值得注意的是,因为此前三星的7纳米工艺跳票,所以高通的下代旗舰芯片将会由台积电进行代工,让三星损失惨重。不过三星表示高通的5G SoC(并非骁龙855)将会由三星负责代工,但这也是后话了。

能在硅半导体工艺上继续精深到如此地步堪称奇迹。当然,在量产2nm之前,台积电还要接连经历7nm 、6nm、5nm、3nm等多个工艺节点。其中,7nm 首次引入EUV极紫外光刻技术,目前已经投入量产;6nm只是7nm的一个升级版,明年第一季度试产;5nm全面导入极紫外光刻,已经开始风险性试产,明年底之前量产,苹果A14、AMD五代锐龙(Zen 4都有望采纳);3nm有望在2021年试产、2022年量产。

面对咄咄逼人的台积电,三星也在全力以赴,正在开发自己的InFO封装技术,并宣称将在下半年量产7nm EUV。不过,在良品率和质量上,三星7nm EUV工艺仍存在风险。如今,台积电在7nm EUV工艺上成功完成流片,证明了新工艺新技术的可靠和成熟,为后续量产打下了坚实基础,同时也进一步拉开了与竞争对手三星之间的差距。

根据全球研究公司Gartner的数据,去年非存储芯片市场的价值为3,646亿美元,是整体芯片市场的65%,也是存储芯片市场的两倍多。

让对手望尘莫及,三星更新技术线路图。8纳米LPU工艺的到来或许会让人感到意外,三星表示这是8纳米LPP工艺的改良版,这时候推出新工艺是为了填补7纳米工艺大规模量产之前的空窗期,而高通也会是8纳米LPU工艺的客户之一,估计未来的6系列和7系列芯片会使用这一制程工艺。

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全程EUV!5nm将于明年四月风险试产

另一方面,根据市场研究公司TrendForce 的数据显示,台积电在2018 年上半年全球代工市场市占率为56.1%。三星则以7.4% 排名第四。

在三星的计划表中,已经确定将会在2019年利用FinFET技术,对5纳米和4纳米工艺进行风险试产。但由于到了3纳米工艺的时候,FinFET技术已经无法满足需要,所以将会转用新研发的GAAFET技术方案,3纳米工艺将会在2020年进行试产。

台积电数十年纳米工艺研发路

根据《EETimes》报导指出,就在台积电积极发展的第2代采用EUV技术的7纳米制程开始进行投片同时,更新一代全程采用EUV技术的5纳米制程也将于2019年的第2季进行风险试产。而且,台积电也已经与包括Cadence在内的4家合作伙伴达成协议,共同支持后段芯片设计的线上服务工作,以借由云端的服务的机制,缩短芯片设计时间,并且进一步扩大芯片设计工具的范围。

三星加大对逻辑芯片投资主要目的,无外乎是跟台积电在逻辑制程上竞争,强化芯片代工业务(此前三星以拿下高通多款旗舰芯片的代工)。虽然三星也有自己的Exynos系列处理器,但是主要还是应用在自家产品当中,所带来的贡献也相对有限。并且三星的高端旗舰手机依然是难以摆脱对高通的依赖,即使是有基于自家Exynos版本的旗舰机,但出货主力还是基于高通的芯片平台。

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在半导体行业,谁能够率先突破半导体工艺制造的瓶颈,谁就能迅速占领市场。而台积电,尽管不自己设计芯片,但是却凭借着先进的制程工艺,依旧跻身于世界芯片巨头的阵营。有了先进的制程工艺,那么芯片自然就能设计的更加复杂,芯片性能得到进一步提升的同时,功耗也会更低。

报导指出,相较于第二代使用EUV技术的7纳米制程可以处理4片掩膜来说,台积电的5纳米制程将可一次处理14片掩膜,降低生产掩膜的成本。另外,台积电还以Arm A72核心进行生产测试,5纳米制程所生产的芯片,将达到14.7%~17.7%的速度提升,以及减少1.8% ~1.86%的芯片面积。号称可比初代7nm工艺晶体管密度提升80%,从而将芯片面积缩小45%,还可以同功耗频率提升15%,同频功耗降低20%。

逻辑芯片的市场现状,几大巨头竞争

根据摩尔定律,半导体行业的集成度不断飞升,但到了现在已经进入了瓶颈期。如果在材料和技术方面无法取得突破,那么制程工艺在长时间内很可能会止步不前。

不得不说,作为晶圆代工产业的开拓者,台积电变革了整个产业。

台积电指出,虽然制程技术节点的提升,能为芯片中增加更多的晶体管,但是却也带来生产成本的大幅提升。其中,5纳米制程中包括人工与知识产权的授权费用,其加起来的总合成本将高达2到2.5亿美元,比7纳米制程的1.5亿美元大幅成长,而这也会是未来发展半导体制程,门槛越来越高的原因。

逻辑芯片厂商虽然很多,但是竞争主要还是集中在逻辑芯片代工领域,因为大多数的逻辑芯片厂商都是无晶圆的IC设计厂商,比如高通、苹果、华为等等,其芯片的生产主要还是由台积电、三星等代工厂来完成。而在芯片代工领域需要的技术及资金投入更为巨大,门槛更高,因此玩家也相对有限,但是竞争却非常的惨烈。

说个题外话,虽然三星的工艺已经开始向3纳米探索,但英特尔的芯片工艺却依然停留在10纳米。话虽如此,同样是10纳米工艺,英特尔芯片的集成度几乎是三星的一倍,所以能效也领先许多。返回搜狐,查看更多

2008年台积电完成了40nm工艺产品交付,首次展示了其32nm代工技术。台积电也成为全球首个宣布28nm为全工艺节点的代工厂。

在联电与格芯相继搁置7纳米及其以下先进制程的研发之后,目前在先进制程研发的路上仅剩下台积电、三星、英特尔等少数公司。只是,英特尔在10纳米制程节点上遭遇瓶颈,预计要到2019年底才会推出的情况下,在先进制程的这条路上,也只有三星能看见台积电的尾灯了。

如果从技术领先性和业务规模来看,目前这个领域的主要玩家有台积电、英特尔、三星、联电、格芯、中芯国际等。

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2009年,台积电实现了40nm量产和28nm的开发,并且开始在20nm上部署研发以确保代工上的领先优势。

至此,台积电在晶圆代工行业的老大哥地位坐实,而唯一有竞争力的三星想要超车也难乎其难。

不过随着逻辑芯片工艺制程推进的越来越困难,有不少厂商开始退出了先进制程的研发,比如去年联电就宣布放弃12nm以下工艺的研发,格芯也放弃了7nm项目,并且今年还接连出售了两座晶圆代工厂。而目前英特尔的10nm工艺(相当于台积电7nm)迟迟没有量产,并且其芯片代工业务规模相对较小。可以说,接下来的市场竞争将会集中在台积电和三星之间。

2012年,台积电20nm FinFET产线正在建设中,已经开始接受客户20nm工艺的试产,16nm进入定义和研发阶段。

从技术领先性上来,台积电一马当先,去年就量产了7nm工艺,今年4月其5nm制程就正式进入了试产。相比之下,三星虽然在存储芯片这类非逻辑芯片制造领域占据极大优势,但是在逻辑芯片代工业务上却一直落后于台积电。

2013年,引入FinFET,开始了10nm工艺的研发。

过去,三星在存储芯片业务上的投入一直很大。有分析师表示,三星每年在数据存储芯片上的支出高达10万亿韩元,而数据存储芯片也是三星的主要收入来源。

2014年,7nm技术进入了高级开发阶段。

资料也显示,早在2011年,三星存储芯片营收规模大约为230亿美元,而逻辑芯片销售额仅100亿美元,还不及存储业务的1/2。

2016年,10nm成功量产了客户产品,7nm完成了技术认证。

2012年,随着市场对智能手机和平板电脑需求的增长,移动设备处理器需求的增加,三星开始加大对于逻辑芯片的投资。当年6月,三星投资19亿美元构建一条新的逻辑芯片生产线,生产移动设备处理器。

2017年,台积电继续在尖端工艺技术方面取得重大进展,10nm工艺订单以创记录的方式激增,已经占据晶圆代工总收入的10%,7nm开始从研发走向了生产。

不过最近几年,随着大数据的爆发,市场对于存储芯片需求的猛增,导致了半导体厂商纷纷加大了对于存储芯片的投入,逻辑芯片增长开始放缓。

目前,最新的消息称,台积电正在冲刺5nm生产,已要求设备供应商今年10月以前将产能布建到位,预计明年首季量产,苹果将是第一个导入量产的客户。台积电确定会是全球第一个提供5nm量产服务的晶圆代工厂,台积电总裁魏哲家稍早表示,已宣布推出5nm先进制程设计套件平台,等于向全球宣示台积电在5nm晶圆代工领先全球,未来在3nm也将维持领先。

2017年IC insights就曾预测,在主要的IC类别类别中,内存芯片销售预计在未来五年内表现出最强劲的增长速度。IC市场区分为四大产品类别:模拟IC、逻辑芯片、内存、和微处理器,其中逻辑芯片市场年均年增长仅为2.9%。

芯片巨头攻占市场,纳米工艺或是最终王牌

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在半导体领域,制程工艺并不是衡量技术的唯一标准,而是以半导体内每平方毫米的晶体管数量为准。

不过,即便如此,三星也仍在不断加大对于Exynos芯片以及芯片代工业务的投入。持续性的大量的投入,使得三星Exyons芯片性能快速提升,并与高通缩小差距,同时在芯片制程技术上,也与台积电的差距越来越小。

虽然目前台积电和三星均已成功研制出了7nm工艺,但其内晶体管密集程度并不如英特尔的10nm工艺,英特尔的10nm工艺每平方毫米可容纳100.8MTr,而台积电的7nm工艺每平方毫米只可容纳96.5MTr,相较于英特尔的制造工艺来讲还有一定的差距。截至2019年1月,英特尔的10nm技术依然领先于台积电和三星的7nm技术。

2017年,三星为强化芯片代工业务,把公司芯片代工业务剥离出来,成为为了一个独立部门,足见三星对于发展芯片代工业务之重视。而三星在包括代工业务在内的逻辑芯片上的发展也离不开韩国本土半导体人才的支持。

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值得注意的是,韩国先进科技学院有三分之二名教授教的内容与逻辑芯片有关。韩国先进科技学院电子工程部主席 Kim Joung-ho说:“这种改变不是一天两天,也不是一年两年发生的。”

但由于英特尔的10nm还没有大规模生产,显然台积电的7nm是目前市场上的大赢家。

Kim Joung-ho说韩国政府和科技教育者很久以前就知道,开发逻辑芯片符合国家的长远利益,也符合三星等企业的长远利益。他说:“我们要在韩国开发高通、英特尔所拥有的技术。”

英特尔是全球第二大芯片制造商。由于其10nm工艺的一再延迟,英特尔在半导体市场的领先优势已被赶超。目前英特尔10nm可能在2019年末进入批量生产。早在2018年12月,英特尔宣布他们正在开发7nm工艺,并且正在按计划进行。英特尔7nm工艺将使用EUVL制造,预计晶体管密度将达到242 MTr /mm,是10nm工艺的2.4倍。

此外,三星为了提高移动处理器的产量,不断将已有生产线转变为逻辑芯片生产线。此次三星宣布至2030年将投资133兆韩元 ,加强在System LSI和Foundry业务方面的竞争力,也将进一步提升其逻辑芯片技术和产能。

2017年7月,三星取代英特尔成为全球最大的芯片制造商。对于几乎相同的工艺节点,三星芯片的晶体管密度与TSMC相当。三星为高通、苹果、Nvidia和许多其他厂商生产芯片,并且还将其14nm工艺许可给GlobalFoundries。

值得注意的是,4月23日,韩国内存大厂 SK 海力士也在考虑收购部分逻辑芯片制造商美格纳(MagnaChip)的产能,用于扩大其8英寸晶圆的生产线。MagnaChip在韩国清州市的晶圆代工厂,而清州市刚好是 SK 海力士半导体生产的重要基地,如果拿下 MagnaChip 的清洲厂,可以强化SK海力士的8英寸晶圆厂产能,还可以就近产生群聚效应。

三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技术生产了7nm芯片,目前已进入批量生产。迄今为止,三星制造的芯片已经可以使用 7nm 工艺;但它也没有止步于此,仍在持续不断地对7nm进行改进,将电路缩小到6nm,5nm,甚至4nm;不过,三星现阶段的最终目标是利用GAA技术将电路缩小到3nm。

与内存龙头三星相同,SK海力士由于近来全球内存市场需求放缓,开始加强发展手机核心处理器、图像传感器和汽车芯片等逻辑芯片的市场。因此,对于逻辑芯片的产能需求提升。

使用GAA(Gate-all-around 环绕栅极)工艺取代FinFET工艺,以增强晶体管性能,这样芯片面积减少45%,性能将提高35%,同时使能耗降低50%。在处理器制造的辉煌时期,新一代技术将带来更小、更快的芯片,而不会增加功耗。如今,这三种好处很难兼得。3nm的成本也可能让人望而却步,但据了解三星相关负责人对 3nm 的前景感到乐观,他表示成本正在逐步下降。

由于图像传感器和汽车芯片等逻辑芯片产品的市场,随应用增加而供不应求,使得许多当前许多晶圆代工厂的 8 英寸厂产能位处于满载的状态。而为了应付市场的需求,除了 SK 海力士期望自 MagnaChip 取得 8 英寸厂产能之外,日前晶圆代工龙头台积电也在时隔 15 年后,在南科再开设 8 英寸晶圆厂。

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几大晶圆代工厂谁能笑到最后?

在世界各大半导体公司中,榜首一直被英特尔和三星占据,台积电只能挤进前十,还有德州仪器、AMD、东芝等强劲对手,但若是2nm工艺研发率先取得成功,或可一举占据市场份额,跻身世界前列也或有可能。

随着主流CMOS工艺在理论,实践和经济方面的限制,降低IC成本(基于每个功能或每个性能)比以往任何时候都更具挑战性和挑战性。

目前看来,台积电的眼光不局限于3nm,而是放的更为长远,率先进行2nm工艺的研发。这也将代表中国半导体制造的最高水平发展方向,若是能在半导体阵营率先完成2nm工艺研发,对于台积电本身有着更好的市场份额抢占的竞争力,对于中国,也将是迈进半导体行业发展的坚实一步。

下图列出了各公司目前使用的几种领先的高级逻辑制程技术:

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英特尔 :其2018年末推出的第九代处理器,仍然是在14nm 工艺的增强版本上制造的,或者可能被认为是14nm 工艺。而其使用10nm工艺需要2019年底才能量产。

台积电:台积电去年已经率先量产了7nm工艺。台积电相信7nm产品将成为28nm和16nm等长寿命节点。目前,台积电5纳米工艺正在开发中,预计将于2019年上半年进入风险生产阶段,到2020年将开始量产。该工艺将使用EUV,但它不会是台积电利用EUV技术的第一个流程。今年台积电的将会量产基于EUV技术的7nm改进版本。N7 工艺仅在关键层上使用EUV,而N5工艺将广泛使用EUV。N7 计划于2019年第二季度投入量产。

三星:在2018年初,三星开始批量生产第二代10nm工艺,称为10LPP。在2018年晚些时候,三星推出了第三代10nm工艺,称为10LPU,提供了另一项性能提升。三星采用10nm的三重图案光刻技术。与台积电不同,三星认为其10纳米工艺系列(包括8纳米衍生产品)的生命周期很长。

三星的7nm技术于2018年10月投入风险生产。该公司不再提供采用浸没式光刻技术的7nm工艺,而是决定直接采用基于EUV的7nm工艺。

格芯:格芯将其22nm FD-SOI工艺视为其市场,并与其14nm FinFET技术相辅相成。该公司称22FDX平台的性能与FinFET非常接近,但制造成本与28nm技术相同。2018年8月,格芯宣布将停止7nm开发,因为该技术节点的生产成本增加,并且因为有太少的代工客户计划使用下一代工艺,因此对战略进行了重大转变。因此,该公司转向其研发工作,以进一步增强其14nm和12nm FinFET工艺及其完全耗尽的SOI技术。而目前,格芯为摆脱财务困境,已经出售了两座晶圆代工厂。

中芯国际:在芯片大牛梁孟松加盟之后,去年2季度,中芯国际的14nm工艺就取得了重大突破。今年2月份,中芯国际对外宣布,今年上半年将会大规模量产14nm工艺,良品率达到了95%,已经非常成熟。当然这与台积电、三星等厂商相比仍有很大差距。

总结来看,正如前面所提及的,目前芯片代工领域,台积电是老大,三星虽然在制程工艺上紧跟,但是技术上仍有一定差距,在代工业务规模上差距更是巨大。不过,这也给了三星足够的增长空间。此次,三星的1158亿美元投资计划,将有望帮助三星进一步缩小与台积电的差距,甚至是在10年内反超。

编辑:芯智讯-季牧/浪客剑

注:本文由芯智讯首发于腾讯科技

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