電子發燒友網報道(文/梁浩斌)近期,2nm工藝被幾大晶圓代工廠推到了風口浪尖處,臺積電、英特爾、三星都在推進2nm的計劃,而距離他們2025年的量產計劃還有三年時間,裝備大戰就已經提前展開了。
芯片制造離不開光刻機,特別是在先進制程上,EUV光刻機由來自荷蘭的ASML所壟斷。同時,盡管目前市面上,EUV光刻機客戶僅有三家,但需求不斷增加的情況底下,EUV光刻機依然供不應求。
針對后3nm時代的芯片制造工藝,High-NA(高數值孔徑)EUV光刻機是目前的最佳選擇。在最近的2022國際光學工程學會SPIE上,ASML介紹了High-NA EUV原型系統的最新進展,旗下第一款High-NA EUV系統TWINSCAN EXE:5000(鏡頭數值孔徑從0.33NA升級至0.55NA)會在2023年在實驗室中安裝,原型機有望2023年上半年完成,并進行測試。EXE:5000系統將會在2024年交付,而下一代的量產型EXE:5200系統則在2025年左右交付使用。
英特爾豪砸26億,提前4年搶單,布局晶圓代工
英特爾在10nm的工藝節點上的大幅延誤,導致在過去幾年間,先進制程節點上大幅落后于臺積電以及三星兩家晶圓代工廠。而去年英特爾宣布大舉進入晶圓代工領域,起步明顯要比臺積電三星晚不少。短短幾年間,英特爾從以往幾十年中的領先者,轉變為追趕者的角色。
目前Intel 10和Intel 7的制造工藝上都沒有使用EUV光刻機,按照計劃,英特爾會在Intel 4工藝上首發EUV工藝,首款產品會是2023年上市的14代酷睿Meteor Lake處理器。據爆料,英特爾已經在俄勒岡州的D1X晶圓廠配備10-12臺EUV光刻機,同時英特爾在今年年初也表示將在俄勒岡州工廠引進ASML下一代High NA EUV光刻機。
英特爾在年初還宣布,已經向ASML預定了一臺仍在設計中的下一代High NA EUV光刻機EXE:5200,英特爾也是全球第一家下訂單的公司。據KeyBanc的預測,一臺0.55NA的EUV光刻系統,僅成本就接近3.2億美元,約21.4億人民幣,最終售價可能高達4億美元(26.7億人民幣)。作為對比,目前ASML正在出貨的EUV光刻機成本為1.5億美元左右。
雖然交付時間要到2025年,但ASML今年第一季度財報中顯示,已經收到多份EXE:5200的訂單,5月訂單還繼續增加中。根據官方透露,目前ASML的EXE:5200光刻機已經有三個邏輯芯片客戶和兩個DRAM內存客戶訂單,那么按照目前有需求的廠商,三個邏輯芯片客戶必然是英特爾、臺積電和三星了,不過目前被確認的訂單,只有英特爾。
英特爾作為ASML第一個High NA EUV光刻機的客戶,與ASML進行了深度合作,而按照英特爾的計劃,最先采用High NA EUV技術的是Intel 18A(1.8nm)節點,預計在2025年量產,時間正是EXE:5200交付的節點。
這被視為英特爾在晶圓代工領域上的一次豪賭。英特爾CEO基辛格已經在此前確認了18A制程將會提供晶圓代工服務,他甚至表示Intel 3和Intel 18A兩代制程都已經找到了客戶,有消息稱英特爾第一批20A和18A制程的客戶是高通和亞馬遜。
2025晶圓代工大亂斗,英特爾能后發制人?
英特爾之外,三星早已對臺積電虎視眈眈,在3nm、2nm等節點上,三星的路線圖都要相比臺積電更早。甚至在上周,有韓媒放出消息稱,三星將在近日宣布3nm量產,而臺積電的計劃是今年下半年才開始生產。更重要的是,三星在3nm節點上較為激進地放棄了FinFET架構,而是采用了GAA晶體管架構,同時為了搶先臺積電完成3nm工藝量產,三星還直接從5nm直接過渡至3nm,跳過了4nm。
在2nm節點上,三星也保持著與臺積電一致的步伐。三星晶圓代工業務的負責人曾表示,他們在按照計劃推進2nm工藝,并在2025年下半年量產,希望通過技術上的飛躍來縮小與臺積電的差距。
但三星今年的晶圓代工業務,深陷良率造假的負面消息中,據稱高通等大客戶已經將其在三星的部分訂單重新轉移回臺積電,這使得三星未來的代工業務蒙上了一層陰影。
而臺積電較為穩扎穩打,在3nm制程上繼續為FinFET“續命”。盡管沿用原有的晶體管架構,但臺積電在材料方面,或許會有新技術的應用。據了解,臺積電正在研究的新材料包括二硫化鎢(WuS2)和碳納米管等二維材料。這些二維材料能夠更有效地移動電子,并讓芯片實現更節能的計算。
二維材料的應用也是為了解決晶體管微縮后帶來的量子效應,解決漏電發熱、提升芯片能耗,并減小芯片面積。相比于當前的硅材料,二維半導體材料天生更適用于2nm及之后的先進制程,二硫化鎢和碳納米管是目前最具代表性的二維材料。
另一方面,在臺積電6月舉辦的技術論壇上,臺積電研發資深副總經理表示公司將在2024年引進ASML的High-NA EUV光刻機。同時,臺積電的2nm節點量產時間也在2025年。
在引入High NA EUV后,英特爾在產能、良率等方面會有更大的提升。如果能夠如期2025年實現量產,那么相比于同期臺積電、三星的2nm工藝,英特爾在Intel 18A上引入的獨有技術,或許能夠在尖端晶圓代工領域,實現技術反超。
英特爾在Intel 20A工藝上采用了兩大獨家技術:RibbonFET和PowerVia。RibbonFET是英特爾對GAA晶體管的實現形式,進入3nm以下節點,FinFET的晶體管架構已經不適合應用了,當FinFET結構中的鰭片(Fin)寬度達到5nm(在3nm節點下)就已經接近物理極限。所以英特爾RibbonFET技術取代了FinFET,加快了晶體管開關速度,同時實現多鰭結構相同的驅動電流下占用空間更小。
PowerVia則是英特爾推出的業界首個背面電能傳輸網絡,通過消除晶圓正面供電布線需求來優化信號傳輸。有意思的是,目前臺積電透露的N2工藝中也采用了類似的背面配電線路(backside power rail)。
而2025年,如果一切順利的話,臺積電、三星、英特爾將在2nm節點中,第一次站在了同一起跑線上,同時從FinFET轉向GAA、同時采用最新的光刻機等等,屆時比拼的就是相關產業鏈比如光刻膠、掩膜版、各種新材料、封裝結構等的配套。英特爾能否完成后發制人?臺積電的霸主地位會受到怎樣的沖擊?三年后見分曉。
芯片制造離不開光刻機,特別是在先進制程上,EUV光刻機由來自荷蘭的ASML所壟斷。同時,盡管目前市面上,EUV光刻機客戶僅有三家,但需求不斷增加的情況底下,EUV光刻機依然供不應求。
針對后3nm時代的芯片制造工藝,High-NA(高數值孔徑)EUV光刻機是目前的最佳選擇。在最近的2022國際光學工程學會SPIE上,ASML介紹了High-NA EUV原型系統的最新進展,旗下第一款High-NA EUV系統TWINSCAN EXE:5000(鏡頭數值孔徑從0.33NA升級至0.55NA)會在2023年在實驗室中安裝,原型機有望2023年上半年完成,并進行測試。EXE:5000系統將會在2024年交付,而下一代的量產型EXE:5200系統則在2025年左右交付使用。
英特爾豪砸26億,提前4年搶單,布局晶圓代工
英特爾在10nm的工藝節點上的大幅延誤,導致在過去幾年間,先進制程節點上大幅落后于臺積電以及三星兩家晶圓代工廠。而去年英特爾宣布大舉進入晶圓代工領域,起步明顯要比臺積電三星晚不少。短短幾年間,英特爾從以往幾十年中的領先者,轉變為追趕者的角色。
目前Intel 10和Intel 7的制造工藝上都沒有使用EUV光刻機,按照計劃,英特爾會在Intel 4工藝上首發EUV工藝,首款產品會是2023年上市的14代酷睿Meteor Lake處理器。據爆料,英特爾已經在俄勒岡州的D1X晶圓廠配備10-12臺EUV光刻機,同時英特爾在今年年初也表示將在俄勒岡州工廠引進ASML下一代High NA EUV光刻機。
英特爾在年初還宣布,已經向ASML預定了一臺仍在設計中的下一代High NA EUV光刻機EXE:5200,英特爾也是全球第一家下訂單的公司。據KeyBanc的預測,一臺0.55NA的EUV光刻系統,僅成本就接近3.2億美元,約21.4億人民幣,最終售價可能高達4億美元(26.7億人民幣)。作為對比,目前ASML正在出貨的EUV光刻機成本為1.5億美元左右。
雖然交付時間要到2025年,但ASML今年第一季度財報中顯示,已經收到多份EXE:5200的訂單,5月訂單還繼續增加中。根據官方透露,目前ASML的EXE:5200光刻機已經有三個邏輯芯片客戶和兩個DRAM內存客戶訂單,那么按照目前有需求的廠商,三個邏輯芯片客戶必然是英特爾、臺積電和三星了,不過目前被確認的訂單,只有英特爾。
英特爾作為ASML第一個High NA EUV光刻機的客戶,與ASML進行了深度合作,而按照英特爾的計劃,最先采用High NA EUV技術的是Intel 18A(1.8nm)節點,預計在2025年量產,時間正是EXE:5200交付的節點。
這被視為英特爾在晶圓代工領域上的一次豪賭。英特爾CEO基辛格已經在此前確認了18A制程將會提供晶圓代工服務,他甚至表示Intel 3和Intel 18A兩代制程都已經找到了客戶,有消息稱英特爾第一批20A和18A制程的客戶是高通和亞馬遜。
2025晶圓代工大亂斗,英特爾能后發制人?
英特爾之外,三星早已對臺積電虎視眈眈,在3nm、2nm等節點上,三星的路線圖都要相比臺積電更早。甚至在上周,有韓媒放出消息稱,三星將在近日宣布3nm量產,而臺積電的計劃是今年下半年才開始生產。更重要的是,三星在3nm節點上較為激進地放棄了FinFET架構,而是采用了GAA晶體管架構,同時為了搶先臺積電完成3nm工藝量產,三星還直接從5nm直接過渡至3nm,跳過了4nm。
在2nm節點上,三星也保持著與臺積電一致的步伐。三星晶圓代工業務的負責人曾表示,他們在按照計劃推進2nm工藝,并在2025年下半年量產,希望通過技術上的飛躍來縮小與臺積電的差距。
但三星今年的晶圓代工業務,深陷良率造假的負面消息中,據稱高通等大客戶已經將其在三星的部分訂單重新轉移回臺積電,這使得三星未來的代工業務蒙上了一層陰影。
而臺積電較為穩扎穩打,在3nm制程上繼續為FinFET“續命”。盡管沿用原有的晶體管架構,但臺積電在材料方面,或許會有新技術的應用。據了解,臺積電正在研究的新材料包括二硫化鎢(WuS2)和碳納米管等二維材料。這些二維材料能夠更有效地移動電子,并讓芯片實現更節能的計算。
二維材料的應用也是為了解決晶體管微縮后帶來的量子效應,解決漏電發熱、提升芯片能耗,并減小芯片面積。相比于當前的硅材料,二維半導體材料天生更適用于2nm及之后的先進制程,二硫化鎢和碳納米管是目前最具代表性的二維材料。
另一方面,在臺積電6月舉辦的技術論壇上,臺積電研發資深副總經理表示公司將在2024年引進ASML的High-NA EUV光刻機。同時,臺積電的2nm節點量產時間也在2025年。
在引入High NA EUV后,英特爾在產能、良率等方面會有更大的提升。如果能夠如期2025年實現量產,那么相比于同期臺積電、三星的2nm工藝,英特爾在Intel 18A上引入的獨有技術,或許能夠在尖端晶圓代工領域,實現技術反超。
英特爾在Intel 20A工藝上采用了兩大獨家技術:RibbonFET和PowerVia。RibbonFET是英特爾對GAA晶體管的實現形式,進入3nm以下節點,FinFET的晶體管架構已經不適合應用了,當FinFET結構中的鰭片(Fin)寬度達到5nm(在3nm節點下)就已經接近物理極限。所以英特爾RibbonFET技術取代了FinFET,加快了晶體管開關速度,同時實現多鰭結構相同的驅動電流下占用空間更小。
PowerVia則是英特爾推出的業界首個背面電能傳輸網絡,通過消除晶圓正面供電布線需求來優化信號傳輸。有意思的是,目前臺積電透露的N2工藝中也采用了類似的背面配電線路(backside power rail)。
而2025年,如果一切順利的話,臺積電、三星、英特爾將在2nm節點中,第一次站在了同一起跑線上,同時從FinFET轉向GAA、同時采用最新的光刻機等等,屆時比拼的就是相關產業鏈比如光刻膠、掩膜版、各種新材料、封裝結構等的配套。英特爾能否完成后發制人?臺積電的霸主地位會受到怎樣的沖擊?三年后見分曉。
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