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5nm芯片江湖要变天?

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上周,有消息称,英特尔正在考虑重新设定其制程节点的命名规则,有可能完全抛弃之前的做法。  

如果此消息属实的话,则英特尔这样做是完全合乎情理的,因为该公司在不久前宣布要大规模迈入晶圆代工市场,而该市场的商业运作模式与传统的IDM有很大区别。  

IDM主要生产自家芯片,而晶圆代工则是为市场上的多家厂商生产芯片,情况要复杂的多,就制程节点而言,必须要有一套可以被市场快速接受的命名方法和规则。而当下的晶圆代工市场,特别是最先进制程,由台积电和三星把持,广大客户已经习惯了这套命名规则,其实际上也成为了业界标准。  

后来者进入该领域,就不得不向这样的规则靠拢,才能更好的争取到客户,并提供便利的服务。  

英特尔的10nm制程已经实现量产,其晶体管密度达到了100.8MTr/平方毫米,与台积电7nm相当。而被前者寄予厚望的7nm制程还未量产,最新消息显示,英特尔采用7nm制程节点工艺的MeteorLake计算芯片预计在2021年第二季度开始tapein。  

实现大规模量产,恐怕要等到2022年了。而从技术指标来看,英特尔的7nm相当于台积电和三星的5nm,这一点,ASML公司有过相应的说明。  

英特尔宣布大规模进入晶圆代工市场的时间点,正是其7nm制程即将实现量产的时段。而如果该公司真的修改制程节点命名规则的话,则所作的文章重点应该是现在的7nm制程上。  

届时,如果将7nm改为5nm或类似表述的话,正好赶上其新建晶圆厂建设完成,工艺研发顺利的话,也会在那个时间段内完成。到时(大概是2022年),台积电和三星统治的5nm晶圆代工江湖,很可能出现第三家竞争者,也就是英特尔。  

全产业链聚焦5nm  

当下,5nm晶圆代工市场依然由台积电主导,三星正在紧追,英特尔也紧盯该市场。未来几年,全球先进制程(10nm以下)市场产能总体呈现供不应求的状态,英特尔有望以5nm为起点,在全球晶圆代工市场的先进制程领域向台积电和三星发起一波冲击。  

产能供不应求,市场需求不断增长,这样的市场,不仅吸引着英特尔这样的IDM龙头入场,产业链各环节上的厂商都纷纷发力,争取在这一巨大市场分得一杯羹。  

半导体设备方面,就在本周,中国中微公司董事长尹志尧表示,该公司开发的12英寸晶圆等离子刻蚀设备,已经进入了客户的5nm制程生产线。等离子体刻蚀机是芯片制造中的一种关键设备,用来在芯片上进行微观雕刻,每个线条和深孔的加工精度都是头发丝直径的几千分之一到上万分之一,精度控制要求非常高。  

EUV光刻机方面,全球仅有ASML一家公司掌握着EUV光刻机的核心技术,这也是5nm制程必需的设备,但EUV光刻机的成本十分高昂,每台售价高达1.2亿美元,几乎是DUV光刻机价格的2倍。  

根据ASML公司发布的财报,2019全年共出货了26台EUV光刻机,2020年交付了30多台EUV光刻机,2021年则会达到45-50台的交付量。这其中很大一部分都供给了台积电,用于扩充5nm,以及7nm产能。  

作为当下5nm制程产能的领导者,台积电被多家芯片厂商追捧。最近,又有一批5nm芯片将在今年实现量产,还有的在研发当中,有望在2022和2023年实现量产,到时候,加入战团的英特尔,有望从晶圆代工两强台积电和三星那里争到一些订单。  

台积电5nm制程的最大客户是苹果,据报道,台积电将会在今年5月开始为苹果生产A15处理器,搭载于今年9月份即将亮相的手机iPhone13。据悉,苹果A15芯片将继续采用5nm工艺打造,整体性能表现可能与上代A14差别不大,但是由于台积电工艺技术的提升,在功耗和发热方面将有所改善。  

华为海思原本是台积电5nm制程的第二大客户,但由于受到美国制裁,海思无法获得台积电的晶圆代工支持,空出的相关产能也受到了众多芯片厂商的追捧,其中,AMD成为了大户,有望紧跟苹果之后,成为台积电5nm制程的第二大客户。  

也就是在本周,采用5nm制程的AMDZen4架构处理器再次曝光。  

在Zen3Vermeer之后,锐龙CPU家族规划了Zen3+Warhol和Zen4Raphael。Zen3+的变化包括6nm工艺、延续AMD4接口和对PCIe4.0、DDR4内存的支持;Zen4的变化就更大了,包括5nm工艺、对PCIe5.0、DDR5内存的支持、新的AM5接口等,另外,消息称Zen4Raphael还将首次集成Navi2GPU单元。  

有猜测称,Zen4Raphael之所以能集成GPU,原因在于接口变化、5nm制程工艺晶体管密度更大、I/ODie升级到6nm等,从而为GPU留下空间。  

Zen4Raphael将是业界首个5nm制程的x86处理器。而Zen4架构的EPYC霄龙处理器的发布时间将会在2021年或者2022年初。Zen4对AMD来说至关重要,因为代号为「热那亚」的数据中心处理器将会采用全新的SP5接口,新的接口将显著改变处理器的I/O,并支持新的DDR5内存标准和PCIe5.0标准。  

2020年3月,AMD公布了GPU发展路线图,不仅包含了RadeonRX5700XTRDNA,还阐述了RDNA2和RDNA3。其中,RDNA3在功能方面能够得到的消息还比较少。但从整体目标来看,AMD仍然希望能够持续提高每瓦功率性能,功耗仍然是GPU总体性能的瓶颈,而更先进的制程工艺有助于提升功率效率。  

鉴于即将发布的RDNA2可能不再局限于台积电的EUV7nm+工艺,那么RDNA3可能会采用台积电的5nm制程工艺。  

近期,三星的5nm制程也有订单入账,3月下旬,高通公司公布了下一款骁龙7系列处理器,名称为骁龙780G5G,采用三星5nm工艺,代号SM7350-AB。骁龙780GSoC基于八核架构,是骁龙768G的继任者,将瞄准低预算的5G智能手机。  

另一大手机处理器厂商联发科也不甘示弱,该公司在2020年凭借天玑处理器的强劲表现,打了个漂亮的翻身仗,还成为国内最大手机处理器供应商。不久前,联发科还发布了2021年开年产品——天玑1200/1100系列5G芯片,但该系列只是针对前代产品的小幅升级版,并未带来真正的旗舰芯片。  

近日,最新报道显示,联发科首款5nm制程芯片将于今年第四季度正式投产,并于明年初正式发布,是一款专门针对高端市场的旗舰产品。  

此前有消息称,联发科5nm芯片将会被命名为天玑2000,目前已经获得了多家国内手机厂商的订单,明年上半年就会有搭载这款芯片的产品问世。  

联发科CEO蔡力行曾公开透露,其5nm旗舰芯片将由台积电打造,目前已经接近流片。据悉,联发科已经向台积电预定了至少每月2万片的5nm制程产能,以此来打造天玑2000系列旗舰处理器。  

谷歌自研手机芯片已经不是什么秘密了。本周,有消息称,预计今年发布的Pixel6手机将搭载首批谷歌自研的处理器,其研发代号为Whitechapel。  

其实,早在去年,谷歌就曝光了要自研芯片的消息,当时自研的芯片已经植入手机开始了长测,该芯片由谷歌和三星Exynos团队合作打造。有财经媒体爆料,去年12月Whitechapel已经流片,采用三星5nmLPE工艺,8核ARM架构,主要单元包括CPU、GPU和NPU。  

以上谈到的是5nm制程的晶圆代工厂、半导体设备,以及众多芯片客户,要想实现相应芯片产品的量产,除了以上这些因素,相应的半导体材料、配件,以及各种服务工作也是不可或缺的,需要产业链上的合作伙伴共同参与完成。  

5nm及更先进制程的发展,并不能单纯依靠核心工艺的创新与EUV设备的加持。从材料角度来说,光刻胶等半导体材料的创新也是制程演进的关键所在。  

2019年,日韩之间的半导体材料大战爆发,韩国用于制造半导体和零部件设备的光刻胶、高纯度氟化氢和含氟聚酰亚胺三大半导体材料,均遭到日本的出口限制,对韩国部分重要的产业发展造成了不小的影响。  

光刻胶则是这三类半导体材料中的重中之重。  

在芯片制造过程中,曝光、显影和刻蚀等重要工艺步骤都与光刻胶有关,耗时占总工艺时长的40%至60%,成本也占整个芯片制造成本的35%。  

有机光刻胶主要用于90nm到7nm的芯片制造,但随着制程推进到5nm,将开始需要无机光刻胶。  

目前来看,中高端光刻胶产品主要还是掌控在日本厂商手中,台积电与日本合作伙伴保持着紧密的联系。  

对于中国大陆的半导体材料厂商来说,机会也越来越多,如安集微电子、江丰电子等都是台积电的供应商。2016-2018年,安集微电子来自台积电的收入占比依次是10.7%、9.7%、8.1%,但安集微主要为台积电成熟制程提供抛光液等产品。江丰电子的重要客户中也包括台积电,其钽靶材及环件已在应用于台积电7nm芯片中。但要想打入其5nm制程供应链,大陆半导体材料厂商还需要再努力。  

掩模方面,家登是台积电掩模传送盒的独家供货商,随着台积电在7nm导入EUV,加上5nm量产,EUV掩模传送盒出货可望倍增,且导入EUV后,掩模可曝光次数为原先四分之一,带动掩模传送盒需求进一步提升。  

除了家登之外,台积电相关设备与周边材料供货商,还包括承包无尘室工程厂汉唐、帆宣,以及晶圆可靠性等分析的闳康、应材备品代工厂京鼎、后段湿式制程设备弘塑、辛耘,和相关自动化及接口设备的迅得、信纮科等。  

在设备维护中,可运用AI进行预测性维护。与此同时,台积电也利用深度学习方法进行自动化影像识别,对缺陷进行及时准确查询,这方面,迅得获得了7nm及5nm生产线自动化系统订单。  

对于测试来说,任何晶圆有错误就会直接报废,同时也会按照小批量处理原则给客户提供风险评估报告。而针对可靠性测试,如果有任何diefail,旁边4个临近die也会fail,边缘的die良率低的话也会fail。台积电改善了抽测方式,以确保不会发生故障。  

结语  

5nm制程产能正处于爬坡阶段,产业链的各个环节都在积极配合晶圆代工厂,未来有很大的增长空间。  

在这种情况下,如果未来两年内,英特尔真的改变制程节点命名规则的话,将会在5nm这一节点上给台积电和三星带来一些竞争压力,虽说很难取得较大的市场份额,但以英特尔的体量及其雄厚的财力,必定会给5nm制程产业链各环节上的厂商带来更多的盈利机会和空间。  

从这一点来讲,还是值得期待的。


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