前有追兵后有堵截 3nm会是下一个长寿节点吗?

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备受期待的3nm工艺已经逐渐拨开了前期的迷雾。按照台积电的说法,2023年下半年将开始贡献营收,改版的N3E也将在同期实现量产。而且,台积电也对3nm成为长寿节点非常有信心。

纵览半导体发展历史,能被称为长寿节点的工艺屈指可数,28nm是最被人熟知的一个。但是,时代已经发生变化,台积电的3nm还能重现28nm的辉煌吗?

N3的时代降临

在三星抢跑半年之后,台积电才于2022年末宣布正式量产3nm工艺,并罕见地举办了量产和扩产仪式。与三星激进地采用GAA工艺不同,台积电的3nm还是留守在FinFET工艺上,不过引入了创新的FinFlex架构(允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的FinFET)。按照官方宣传,其比5nm工艺的逻辑密度增益增加60%,功耗降低30-35%。

尽管初期也有传言称N3工艺良率不足,导致除苹果之外的厂商都暂缓投入该工艺。但后续报道和台积电的法说会则完全打消了这种猜忌。台积电在2023年Q1法说会上表示,N3工艺的需求来自手机与高性能计算,目前需求超过公司产能,营收贡献节点将是第三季。同时,改进型的N3E工艺则于下半年量产,应用同样来自手机与高性能计算,且无论N3还是N3E皆有不错良率,使3纳米家族流片数量达到5纳米家族2倍。

台积电总裁魏哲家也表示,N3和N3E都吸引了众多客户的参与,所以无惧产业库存调整的影响,预计未来几年都将保持强劲的需求。业内分析师也指出,台积电将今年的先进工艺资本支出中的大部分用在了3nm产能上(2021年和2022年的资本支出主要集中在扩大N5产能上),再结合苹果已经包下了90%产能,台积电的3nm会成为公司的下一个长期捞金利器。

以赛亚调研认为,台积电预计在第二季度达到满载的稼动率,这意味着主要大客户(如苹果)产品的需求稳定上升。除苹果之外,2024年台积电的主要客户,如高通、联发科、AMD等也计划在3nm制程上推出新产品,并预计在2024年底前达到每月10万片的产能。综合来看,未来几年内3nm制程的产能持续提升,加之重点大客户持续推出新产品,且稼动率保持满载的情况下,3nm制程有望成为台积电所期望的长期大量制程节点。

如果再考虑到2026年2nm工艺才开始普及,而3nm工艺是使用身经百战的FinFET的最后一个节点,在GAA并非是所有芯片刚需的条件下,其将在未来多年一直延续下去。

现在下结论还早?

“现在讨论这个(3nm成为长寿节点)还过早,因为28nm是经过了十几年的考验才被证明是一个长寿节点。”一位行业资深人士认为不可轻下结论。

3nm具备很多优势,如更高的集成度、更低的功耗、更好的性能等,可以应用在诸多前沿应用领域,如人工智能、云计算、物联网和高性能计算等。然而,制程节点的持久性不仅取决于技术优势,还取决于市场需求和行业竞争的发展,这从28nm的发展中就可以看出。

28nm采用高介电层/金属栅极(High-k Metal Gate,HKMG)技术,是平面式技术世代中最高级别的制程。经过多年的研发和实际应用,其已经达到了相对成熟和稳定的状态,制程技术和设备已经经过充分的优化和改进,生产效率较高,并且具备较好的可靠性和可重复性。

以赛亚调研指出,28nm制程节点是许多应用的甜蜜点,关键就在于成本,像ISP、OLED DDI、射频、车用等产品主要都在28nm节点投片,如再往先进制程过渡就会面临到成本上升的压力。相比于更先进的制程节点,如10nm、7nm等,28nm制程具有更低的投资成本和生产成本。对于这些应用领域来说,使用28nm制程可以在合理的成本范围内提供良好的性能和功耗平衡,满足市场需求。因此,28nm制程在多个应用领域具有广泛的适用性,一些低功耗、成本敏感的应用也可以通过28nm制程得到满足。

此外,对于一些设计团队和制造商来说,迁移到更先进的制程节点可能需要更多的工程和资金投入,而28纳米制程的兼容性较好,可以在不大幅度调整现有设计和流程的情况下实现迁移。

相对的成本优势和稳定性是28nm成为长寿节点的关键,如果从这两点来考虑,3nm同样具有很大的潜力。半导体资深专家莫大康认为,“在3nm节点,现有EUV已到极限,个别工艺要用EUV的DP,而2nm则要用到高数值孔径EUV及GAA,成本将大幅上升;而且,台积电目前的成品率也不算很高,再走下去风险越来越大,可以预见成本会越来越高,能支持的产品已不多,所以3纳米还是相对成熟的。”

另一个关键就是市场的驱动。“长寿制程的因素包括了产品的应用、市场需求和普及速度,从面板驱动IC、网通Wi-Fi、CIS到毫米波雷达,都是因应需求而发展,28nm要占得先机也是经过一段很长的等待期”,业内资深人士指出,如果3nm要获得发展机会,自动驾驶和高性能计算将是触发市场的关键点。

以赛亚调研认为3nm制程有潜力成为高端产品的大量生产节点,如CPU、GPU、AP以及加密货币等,在高性能和高效能应用中为相关产业带来创新与突破。

家族式作战

3nm能成为长寿节点,还有一个因素就是“家族式作战”。除了基础的N3和改进的N3E之外,台积电还为3nm节点预备了N3P和N3X工艺。

N3E是因为N3未能达到台积电初期的性能、功率和产量目标而开发的。与N5相比,N3E的功耗(在相同的性能和复杂性下)将降低34%或性能提高18%(在相同的功耗和复杂性下),并将逻辑晶体管密度提高1.6倍,但该节点的逻辑密度略有降低。

N3P在保持与N3E 设计规则相容性的同时,提供额外的效能和面积优势,以最大程度地实现IP重复使用。N3P预计2024年下半年开始量产,可在相同漏电下,速度增快5%;在相同速度下,功耗降低5-10%,以及与N3E相比芯片密度增加4%。

专为HPC应用所设计的N3X,提供额外的最大震荡频率(Fmax),以在适度漏电平衡下提高驱动效能(overdrive performance)。相较于N3P,N3X在驱动电压 1.2V下,速度增快5%,并拥有相同的芯片密度提升幅度,预计于2025年进入量产。

为了抢占车用市场,精明的台积电还推出了业界第一个基于3nm的Auto Early 技术 N3AE方案,提供以N3E为基础的汽车制程设计套件,将有助缩短客户产品上市时间2-3年。

图 台积电3nm工艺家族

推出家族系列工艺节点,一方面是满足了细分市场的应用,一方面则是应对主工艺节点升级节奏越来越慢的挑战。台积电相信,当尖端芯片的开发将转向2nm时,很多普通用户还在未来会坚持使用各种N3技术。

不稳定的因素

阻碍3nm成为长寿节点的因素也同样存在。厂商之间的激烈竞争就是其一。

三星在先进工艺方面一直紧追台积电,并大有赶超之势。据韩国媒体报道,三星为2023年6月举行的国际VLSI研讨会准备的演讲简报显示,第二代3nm制程芯片的运算速率比其4nm制程快22%,省电效率高34%,芯片尺寸则减少21%。而台积电近期才公布,第二代3nm制程的效能比N5高18%、省电效率多32%。一般认为,台积电N5制程与三星SF4制程相似。

有消息称,高通明年的旗舰芯片骁龙8 Gen4将会引入三星作为第二代工厂,打破过去三代产品由台积电独家操刀的局面,引发3nm工艺的抢单大战。台积电和三星将分别采用N3E和第二代3纳米GAA制程来生产骁龙8 Gen 4芯片。

两个3nm工艺的对决,可以促进工艺的进步,但也可能提前耗尽该工艺的潜能,使得新工艺升级速度加快。

除了厂商竞争之外,相邻工艺节点的竞争也有可能影响到3nm的寿命长短。目前最大竞争者就是台积电自身的5nm工艺。自诞生后的4年后,5nm的制程效能提升高达17%、芯片密度增加 6%,并维持相同的设计规则相容性,以尽可能增加现有客户设计的再利用。同时,5nm的升级版4nm工艺也将有更多的需求,而这些需求的增加同样来自于人工智能、网络和汽车芯片产品。

以赛亚调研认为,目前有相当多的产品应用都停留在5nm节点,如苹果的A16和M2系列芯片、高通和联发科的旗舰手机芯片,以及NVIDIA和AMD的GPU等。这些产品的需求量都相当可观,并且稳定地由台积电进行生产,这表明5nm节点在当前市场上占据着重要地位,并且有着相对较长的生命周期。

还一个就是即将到来的2nm工艺。该节点预计在2025年进入量产阶段,届时是否会替代3nm成为长寿节点,仍要考虑之后制程技术发展,以及客户产品需求等因素。“值得注意的是,过去的例子中,从28nm节点转到12/16nm以下的节点时,是从Planar转向FinFET,而现在从3nm到2nm的转变也是从FinFET转向GAA。因此,制程技术的演进可能会对节点的长寿性产生影响。”以赛亚调研表示。

业内资深人士也认为,“需要high NA EUV (0.55NA) 的N2是很贵的制程,客户不一定现在买单,去库存化需要时间而且N2的性能目前尚未得知;再者,N2对台积电也是新制程(non FinFET)。”

“同时,这也跟客户想要推出更有竞争力产品的选择有关,5nm的单位未来会转移到3nm的机率还是很大的,2nm则还要观察。”该人士最后强调。

责编: 张轶群
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