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    臺積電工藝將從2024年開始落后?

    2020-12-02
    來源:半導體行業觀察
    關鍵詞: 臺積電 工藝 2024 落后

      臺積電目前被廣泛視為半導體技術的領導者。但是,這并不是通過做任何值得注意的事情來實現的:臺積電是從英特爾繼承了這一位置,因為后者花了五年時間才推出了其首款10nm產品,而摩爾定律則要求兩年的節奏。臺積電什么也沒做,只是繼續遵守上述節奏。

      確實,在今年年初的一篇文章中,我已經注意到臺積電本身并沒有特別快地發展,也落后于摩爾定律曲線:臺積電正從5nm過渡(N5 )到3nm(N3)的周期比通常的2.5年更長,而密度的增加也遠少于摩爾定律所要求的2.0倍:例如,SRAM密度僅提高了1.2倍。為此,我認為,這將給英特爾一個追趕的機會,但是英特爾隨后推遲了其7納米制程。

      最近,有關2nm的第一份報告已經到來。正如預期的那樣,這將標志著臺積電從FinFET晶體管過渡到全柵晶體管或GAAFET,FinFET晶體管由英特爾于2012年首次引入,然后于2015年由臺積電采用。值得注意的是,臺積電計劃將回歸兩年更新制程的節奏,這意味著在使用FinFET十年后,2nm將于2025年初進入市場。

      問題在于,臺積電剩下的兩個領先的競爭對手三星和英特爾都計劃在臺積電之前遷移到GAAFET。這意味著臺積電到2024年可能會從第一跌到第三。

      對于投資者來說,這意味著他們不應該認為臺積電是追求摩爾定律的最后一家晶圓代工廠,因為競爭將加劇。

      一些術語科普

      我將GAAFET(全能柵極)用作其柵極圍繞通道的所有四個側面的晶體管的總稱。FinFET圍繞三個側面,而平面僅一個側面。

      三星通常使用術語MCBFET(多通道橋)或納米片。

      三星將其與納米線區分開來,顧名思義,納米線在幾何形狀上更像是線而不是紙。

      nanoribbon則主要由Intel使用,從英特爾研究的圖片來看,這似乎與納米片相似,但可能介于兩者之間。

      最后,節點名稱:TSMC使用Nx,而Samsung和Intel繼續使用xnm。

      臺積電:N5,N3,N2

      眾所周知,臺積電已于2020年下半年遷移到N5,與N7相比,遷移速度為兩年。但是,初步發現表明,雖然節奏與摩爾定律相當,但微縮率卻沒有。特別是,Apple A14僅實現了134MT的密度(每平方毫米1.33億個晶體管)。與A13的90MT相比,這僅增長了49%。

      相比之下,臺積電聲稱N5的微縮率是1.8倍,這將帶來標準密度170MT。但蘋果實現的這種較低的收縮在很大程度上可以歸因于SRAM(內存)的微縮率低得多——僅為1.3倍。

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      如導言所述,作為臺積電的最后一個FinFET節點,臺積電的N3將于2023年上半年遵循2.5年的節奏推出。雖然臺積電本身稱其為全節點微縮,但沒有任何合理的分析可以真正描述它。邏輯密度縮放比例進一步降低至1.7倍,而SRAM僅提高1.2倍。模擬方面則幾乎不會改變。

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      英特爾十年前的分析表明,SRAM和模擬芯片占Apple芯片的40%至50%,因此盡管有2.5年的節奏,但現實世界中的密度預計不會超過50%。

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      最新的信息涉及N2。據了解,該節點將移至GAAFET或MBCFET。臺積電計劃在2023年下半年開始風險生產。與N3相比,這意味著兩年的節奏。

      鑒于這種風險,生產滯后了大約12個月,并且考慮到批量生產落后于產品推出時間6個月(例如,N5風險生產于19年上半年開始,隨后iPhone 12于18個月后推出),這意味著臺積電的N2 GAA工藝將在2025年上半年進入市場。

      英特爾:7納米,5納米

      英特爾在2020年下半年推出了10nm技術,最近又推出了10nm SuperFin技術,英特爾聲稱,該技術在功耗和性能方面提供了與全節點躍遷相同的優勢。(顯然密度不高。)

      英特爾在2020年7月宣布將其7nm的升級時間推遲6到12個月,這意味著批量供貨時間將從2022年轉移到2023年。雖然尚不知道7nm的規格,但英特爾之前曾表示它將是2.0倍或2.4倍收縮:在200-240MT時,它可能比TMSC N5密度高一點。它將仍然是FinFET晶體管。

      然而,6月,英特爾首席技術官確認英特爾將“在未來五年內”過渡到GAAFET??梢詽M足這一承諾的唯一工藝節點是5nm。從表面上看,這意味著最壞的情況是,英特爾將在2025年推出GAAFET和5nm,與TSMC持平。英特爾也曾表示,5nm將縮小2倍。

      問:您能否給我們提供將納米帶/納米線工藝技術引入大批量生產的時間表?

      答:這不是路線圖討論,所以我會在未來五年內含糊其詞。

      但是,英特爾的路線圖比2025年更具侵略性。英特爾于2019年(在7nm延遲之前)宣布,它打算恢復到2年的節奏。直到2029年的路線圖也證實了這一點??紤]到7nm應該在2021年第4季度進入市場,這意味著5nm也將在2023年第4季度推出,Murthy確認:

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      假設5nm現在也要推遲6到12個月(即使從原理上講7nm的延遲不會對5nm的發展產生任何影響),這仍然意味著5nm將在2024年推出,比臺積電提前一年。

      有人可能會說英特爾可能無法實現其路線圖,但是除非另外證明,否則本文將平等對待每個供應商的路線圖。

      英特爾與臺積電

      英特爾的10納米制程的標準密度為100MT。雖然顯然無法確定A14在Intel的10nm工藝上將有多大(及其實際密度),但在過去,Apple的SoC通常都很好地遵循了這一標準化的密度指標,這使A14的看似低了134MT。為此A14特別值得注意。

      因此,假設A14在Intel的10nm工藝上將達到100MT,這表明在實際密度下,TSMC可能僅比Intel高1.35倍。與全節點的飛躍相比,這更類似于半節點的優勢。

      換句話說,英特爾可能并沒有很多人想象的那樣落后。反過來說,臺積電也可能不如設想的那樣領先。確實,英特爾可能缺乏密度,但它可能會在晶體管(和封裝)技術的其他領域中得到彌補,英特爾在其SuperFin技術(以及Lakefield 3D堆棧)中強調了這一點。

      同樣,如果N3僅將密度提高50%,則只能實現比理論上的300MT更接近200MT的水平,后者又可能比5nm接近英特爾的7nm。

      為了證實這一說法,英特爾和臺積電都需要更多有關多個芯片的芯片尺寸和晶體管數的數據,但英特爾在2014年左右停止發布晶體管數:英特爾認為,由于其芯片在邏輯單元方面有很大不同,I / O和SRAM(請參見上圖),與Apple晶體管數量的任何比較都具有誤導性。換句話說,所有英特爾CPU的全芯片密度均明顯低于標準密度。

      三星方面的表現

      三星目前正在加快其5納米制程。與各種報道相反,三星今年已做出一些努力向媒體和投資者保證,其5nm工藝沒有任何產量問題。

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      三星的5nm并不是一個新節點,而是基于其7nm平臺直接衍生的產品。這樣,它的密度改進將是不及臺積電的N5,也不應高于英特爾的10nm。

      但三星的3nm節點將標志著其下一步的發展,正如三星很久以前宣布的那樣,這將標志著其業界領先的MCBFET的推出。該節點似乎有所延遲,因為它現在的目標是2022年的量產(之前是2021年末)。三星進一步聲稱,在新工藝上,晶體管密度縮小了0.65倍或0.55倍,這應該使其接近TSMC 5nm而不是3nm的密度。

      不過,正如所討論的那樣,臺積電的N3將更像是半節點收縮,因此三星可能密度稍差,它可能會在技術和上市時間上有所彌補,這與英特爾不同。

      在這方面,三星早期推出的GAAFET與22nm的Intel FinFET類似,后者的密度可與臺積電的平面28nm相提并論。雖然三星將不會擁有密度優勢,但在市場上推出這項技術的領先地位仍然領先于TSMC三年,領先于Intel兩年。無論如何,三星已經在2019年宣布它將計劃在這十年內投資超過1000億美元以趕上臺積電。

      總結

      目前被視為市場領導者的臺積電可能會在2024年或更早之前失去其工藝技術的領導地位。

      英特爾在2012年推出了FinFET晶體管,該晶體管在同行業中比其他行業領先了幾年(這是事物可以相對快速地發生變化的一個例子),但現在,這種晶體管已經耗盡。因此,必須用GAAFET代替它。盡管這種轉變不會像FinFET最初的轉變那樣劇烈,但它是一個重大的轉變。就像FinFET一樣,它將標志著制程技術和芯片設計新時代的開始。

      這意味著可能在FinFET期間跌落的供應商可能有機會追趕。確實,目前的數據表明,臺積電將是最后一次實現這一轉變的廠商,比英特爾落后了一年,三星落后了三年。

      考慮到SRAM密度縮放的放慢和3D邏輯堆棧的引入以及其他一些未知因素,GAAFET的引入可能被視為工藝技術領先地位的(更可靠)指示,我之前已經指出過不僅僅是晶體管密度:Intel與臺積電相比:工藝技術的領導地位遠勝于晶體管密度。

      過去,三星曾為Apple,Nvidia(NVDA)和Qualcomm(QCOM)等公司代工芯片。因此,三星差異化的GAAFET路線圖很有可能會對晶圓代工市場產生實際影響,而英特爾繼續從其10nm和7nm延遲中恢復過來,以尋求重新奪回工藝領先地位。

      



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