2納米芯片，巨頭的金錢競(jìng)賽

28納米制程的開發(fā)費(fèi)用大約為5130萬美元，16納米制程需要投入1億美元，5納米制程費(fèi)用達(dá)到5.42億美元。如果按照接近兩倍漲幅測(cè)算，在2納米制程上，開發(fā)費(fèi)用可能會(huì)將近20億美元

文 | 陳伊凡 編輯 | 謝麗容

 

指揮了全球半導(dǎo)體發(fā)展史半個(gè)多世紀(jì)的摩爾定律（集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每18個(gè)月就會(huì)增加一倍），直到現(xiàn)在還保有頑強(qiáng)生命力。

 

7月14日，臺(tái)積電在投資者會(huì)議上表示，2納米制程將在2024年試產(chǎn)，2025年量產(chǎn)。與3納米制程芯片相比，相同功耗下，2納米芯片速度可以增加10%-15%；相同速度下，功耗可以降低25%-30%。

 

這個(gè)由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾所提出的定律，帶動(dòng)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈向前推進(jìn)半個(gè)多世紀(jì)。誰能率先推動(dòng)摩爾定律的發(fā)展，就能在市場(chǎng)上獲得更多份額，賺得盤滿缽滿。這也是眾多企業(yè)還在不斷追著摩爾定律跑的原因。

 

越是高制程，芯片效率越高，但研發(fā)越是艱難，越來越多的競(jìng)爭(zhēng)者在追逐賽中退出。在成熟制程，全球最主要的競(jìng)爭(zhēng)者有十多家，涉及成熟制程的晶圓廠就有一百多家。進(jìn)入10納米制程之后，全球半導(dǎo)體代工廠僅剩臺(tái)積電（NYSE:TSM）、三星（PINK:SSNLF）和英特爾（NASDAQ:INTC）三家。而在7納米制程之后，全球范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)者就剩下臺(tái)積電和三星。

 

其實(shí)，在2021年，IBM就發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片，根據(jù)公開資料，IBM的這顆2納米制程的芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上，與7納米制程的芯片相比，其運(yùn)算速度將快45%，而能效方面則將提高75%。

不過，IBM作為研究機(jī)構(gòu)，尚不具備量產(chǎn)的能力，2納米制程芯片從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，還需要一段時(shí)間。

 

2納米制程是一個(gè)什么概念？一根頭發(fā)絲的直徑一般是5萬納米，2納米相當(dāng)于把頭發(fā)絲軸向剖25000份。

 

此前，在宣布2納米芯片研發(fā)成功后，IBM宣稱，一個(gè)指甲大小的2納米芯片就能容納多達(dá)500億個(gè)晶體管。對(duì)于消費(fèi)者來說，新技術(shù)使芯片降低75%能耗，提高手機(jī)的性能，例如電池的壽命可以延長(zhǎng)將近4倍。

 

但到了2納米制程后，涉及原有的工藝架構(gòu)、材料、設(shè)備的更新，技術(shù)革新，意味著產(chǎn)業(yè)格局或?qū)⒅匦孪磁疲@也是諸多企業(yè)甚至國(guó)家和地區(qū)決定押注2納米的原因之一。

 

除了老玩家臺(tái)積電和三星，另一個(gè)傳統(tǒng)芯片據(jù)歐英特爾在2021年7月公布最新技術(shù)路線圖，稱將在其2納米制程上轉(zhuǎn)換新的技術(shù)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)新制程的競(jìng)爭(zhēng)力。英特爾在10納米制程之后被指競(jìng)爭(zhēng)乏力。

 

英特爾此前采用FinFET，即鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，F(xiàn)inFET工藝在22納米制程之后成為半導(dǎo)體的主流工藝架構(gòu)，一直延續(xù)到5納米。英特爾即將在2納米上轉(zhuǎn)換成GAAFET架構(gòu)，全環(huán)繞柵極晶體管，這一工藝架構(gòu)被視為FinFET工藝的接任者。

 

三星在3納米節(jié)點(diǎn)上率先引入GAAFET的工藝，臺(tái)積電也將在2納米節(jié)點(diǎn)上采用GAAFET工藝架構(gòu)。可以理解為，GAAFET工藝就是進(jìn)入2納米制程之后的主流工藝架構(gòu)。

 

芯片也是國(guó)家和地區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)游戲。

 

根據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本此前稱將于美國(guó)達(dá)成共識(shí)，最早在2025年在日本建立2納米半導(dǎo)體制造基地。

 

而歐洲則在其《2030數(shù)字指南針》規(guī)劃書中，提出了未來10年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，其中明確寫道，截至2030年，歐洲先進(jìn)和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值將至少占全球生產(chǎn)總值的20%，攻克2納米工藝。

 

一場(chǎng)新的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始。目前對(duì)于2納米制程還處于研發(fā)階段，只是在頭部效應(yīng)顯著的半導(dǎo)體行業(yè)，后來者能否撼動(dòng)頭部企業(yè)的地位？

頂尖圈層的金錢游戲

 

在半導(dǎo)體制程中，28納米制程是一條分水嶺，28納米及以下工藝被稱為“先進(jìn)工藝”， 28nm以上被稱為“成熟工藝”。有時(shí)，28納米也被劃分到成熟工藝這個(gè)陣營(yíng)。7納米及以下，是先進(jìn)工藝中的“高端圈子”。先進(jìn)制程越往下走，投入越大。

 

芯片的成本來自硬件成本和設(shè)計(jì)成本。硬件的部分就包括晶圓、掩膜、封裝、測(cè)試四個(gè)部分。軟件部分來自EDA工具、IP授權(quán)、架構(gòu)等部分。

 

從先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)成本來看，根據(jù)第三方半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Semi engineering計(jì)算，28納米制程的開發(fā)費(fèi)用大約為5130萬美元，到16納米制程需要投入1億美元，到5納米制程節(jié)點(diǎn)，這個(gè)費(fèi)用達(dá)到5.42億美元。如果按照接近兩倍漲幅測(cè)算，在2納米制程上，開發(fā)費(fèi)用可能會(huì)將近20億美元。這個(gè)費(fèi)用包括了IP授權(quán)、軟件、確認(rèn)、驗(yàn)證、架構(gòu)等環(huán)節(jié)。

圖片來源：Semi engineering

越往先進(jìn)制程走，EDA的復(fù)雜程度也越高。

 

EDA即電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)，是芯片制造中無法避開的環(huán)節(jié)。它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，來完成超大規(guī)模集成電路芯片的功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證、物理實(shí)現(xiàn)（包括布局、布線、版圖、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等）等流程。

 

EDA和代工廠、芯片設(shè)計(jì)公司三者聯(lián)系緊密。代工廠需要和EDA公司合作進(jìn)行工藝的開發(fā)，IC設(shè)計(jì)公司需要使用EDA工具進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)，然后采用代工廠的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

 

新思科技（NASDAQ:SNPS）作為全球頭部EDA公司，市場(chǎng)份額多年一直保持第一。作為唯一一家既在芯片制造的所有流程環(huán)節(jié)提供核心技術(shù)和軟件，同時(shí)又在芯片設(shè)計(jì)的全流程提供核心技術(shù)軟件的EDA和IP的公司，可以說，先進(jìn)制程的芯片沒有一個(gè)可以避開新思科技的EDA工具。

 

新思科技中國(guó)區(qū)副總經(jīng)理朱勇告訴《財(cái)經(jīng)十一人》，從EDA工具開發(fā)的角度，先進(jìn)制程越往下走，所需要面對(duì)和解決的問題就越多、越復(fù)雜，相應(yīng)地研發(fā)投入就越大。可以從兩個(gè)維度來看，一個(gè)是設(shè)計(jì)規(guī)模一個(gè)是工藝復(fù)雜度。從設(shè)計(jì)規(guī)模來說，到了3納米時(shí)代，芯片設(shè)計(jì)規(guī)模比28納米時(shí)代增加了幾十倍，往往能達(dá)到十億甚至幾十億晶體管的級(jí)別，相應(yīng)地EDA工具種類保守估計(jì)在上百種。越往先進(jìn)制程走，成本就越高。

 

EDA之外，先進(jìn)制程的設(shè)備也是一個(gè)極大的投入。對(duì)設(shè)備公司來說，研發(fā)投入也隨著制程向前推進(jìn)而增長(zhǎng)。2021年，光刻機(jī)巨頭阿斯麥公司（ASML）的研發(fā)投入達(dá)到25億歐元，阿斯麥公司的公開說法是，主要是由于極紫外光刻機(jī)的生產(chǎn)以及開發(fā)更進(jìn)一步high-NA的極紫外光刻機(jī)。

第三方分析機(jī)構(gòu)IBS測(cè)算過晶圓廠在先進(jìn)工藝的研發(fā)投入，3納米制程的工藝研發(fā)投入達(dá)到40億美元-50億美元，建一座3納米制程、每月生產(chǎn)4萬片的生產(chǎn)線，成本約為150億美元-200億美元。

 

在先進(jìn)制程上跑得最快的選手之一是臺(tái)積電。梳理臺(tái)積電歷年研發(fā)投入發(fā)現(xiàn)，臺(tái)積電的研發(fā)投入基本在穩(wěn)步上升，2021年臺(tái)積電研發(fā)投入為44.57億美元。可以看到臺(tái)積電的研發(fā)增速基本上每2年-3年就會(huì)有一個(gè)高點(diǎn)，這與其進(jìn)入下一個(gè)制程的量產(chǎn)有關(guān)。例如在2020年，臺(tái)積電的研發(fā)增速?gòu)?019年的8.91%一下子上升到27.59%，那一年臺(tái)積電計(jì)劃量產(chǎn)5納米工藝，并全面使用EUV。2021年，臺(tái)積電宣布，2021年的300億美元的資本預(yù)算中，將有80%用于擴(kuò)展先進(jìn)制程。

 

先進(jìn)制程上的前期投入，決定了其高昂的成本。

 

一位長(zhǎng)期在半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的專家告訴《財(cái)經(jīng)十一人》，5納米制程的流片一次需要4000萬美元到5000萬美元，到2納米制程時(shí)，流一次片大概需要1億美元。也就是說，在2納米制程上，光流一次片，就要流掉大概200輛法拉利。

 

美國(guó)第三方分析機(jī)構(gòu)國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略公司（IBS）的統(tǒng)計(jì)，5納米制程的芯片代工價(jià)格為25000美元，單片成本為12500美元。3納米制程預(yù)計(jì)代工價(jià)格將高達(dá)30000美元。

 

這遠(yuǎn)不是普通的設(shè)計(jì)公司能夠承擔(dān)得起的。因此，只有全球頭部設(shè)計(jì)公司才有實(shí)力進(jìn)行投資和開發(fā)，如蘋果、超威半導(dǎo)體（AMD）、英偉達(dá)和高通等。只要對(duì)高性能計(jì)算、性能、速度、功耗有需求，這些企業(yè)就會(huì)一直在先進(jìn)制程上投入下去。在算力為王的時(shí)代，誰都希望自己的服務(wù)器成本越來越低、功耗越來越低但速度能越來越快。

 

可以預(yù)見的是，在先進(jìn)制程的追逐上，將會(huì)越來越“卷”，畢竟誰也不想輸。

誘人的肥肉

 

沒有企業(yè)會(huì)做虧本的生意。巨額投入的另一面，是一塊極為誘人的肥肉。

 

頭部效應(yīng)在半導(dǎo)體行業(yè)明顯。業(yè)界素來有“老大吃肉、老二喝湯”的說法。因此，在代工領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的臺(tái)積電，吃到了這個(gè)行業(yè)絕大比例的紅利，并以一騎絕塵的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于第二名的三星電子。

 

根據(jù)第三方數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)DIGITIMES Research的預(yù)計(jì)，2020年全球十大晶圓廠中臺(tái)積電的市場(chǎng)占有率達(dá)到60.2%，第二名的三星則是8.9%。

 

這個(gè)邏輯在半導(dǎo)體的設(shè)備廠商上也同樣適用。上述設(shè)備研發(fā)的研究人員告訴《財(cái)經(jīng)十一人》，在每一代制程的追逐中，設(shè)備廠商的壓力也很大，因?yàn)橄喈?dāng)于他們的時(shí)間節(jié)點(diǎn)要更提前一些，研發(fā)出設(shè)備之后，到代工廠去試驗(yàn)。如果被代工廠選用，基本可以占到80%的市場(chǎng)，而一旦錯(cuò)過了，可能會(huì)滿盤皆輸。業(yè)內(nèi)人士稱其為半導(dǎo)體的“二八定律”。

 

在先進(jìn)制程上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的設(shè)備廠商阿斯麥公司的財(cái)報(bào)顯示，其2021年總營(yíng)收為186億歐元，約合1339億元人民幣，凈利潤(rùn)為59億歐元，同比增長(zhǎng)66%。

根據(jù)阿斯麥公司的首席執(zhí)行官（CEO）溫彼得所說，一臺(tái)荷蘭阿斯麥公司（NASDAQ:ASML）的極紫外光刻機(jī)，售價(jià)將近12億元，這也成為了阿斯麥公司營(yíng)收極為重要的組成部分。其中有63億歐元的營(yíng)業(yè)額來自于42套EUV光刻系統(tǒng)的訂單。也就是說，阿斯麥將近一半的營(yíng)業(yè)額來自于EUV光刻機(jī)的貢獻(xiàn)。

 

在阿斯麥公司的年報(bào)中，統(tǒng)計(jì)了2021年公司各項(xiàng)服務(wù)較2020年的銷售額增長(zhǎng)情況，EUV光科技的增長(zhǎng)最多，增長(zhǎng)了18.21億歐元。

阿斯麥公司2021年較2020年的各業(yè)務(wù)銷售額增長(zhǎng)情況

圖表來源：阿斯麥公司年報(bào)

先進(jìn)制程的餅很大，那么掙錢的速度又有多快呢？

 

毛利率可以從一方面反映這個(gè)企業(yè)的掙錢能力。臺(tái)積電2021年的毛利率達(dá)到51.6%，且在過去三年一直穩(wěn)定在50%左右。要知道，被視為最賺錢的公司的蘋果，2021年的毛利率為43.8%，這已經(jīng)令大部分企業(yè)望塵莫及了。同樣是業(yè)界頭部的半導(dǎo)體設(shè)備商ASML，毛利率也長(zhǎng)期穩(wěn)定在50%左右。

 

親歷中國(guó)50年半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷程的行業(yè)觀察者、學(xué)者莫大康有一個(gè)測(cè)算，以臺(tái)積電為例，45nm時(shí)貢獻(xiàn)20%的營(yíng)收需要兩年；28nm時(shí)貢獻(xiàn)20%的營(yíng)收需要一年；7nm時(shí)貢獻(xiàn)20%的營(yíng)收需要半年；5nm時(shí)貢獻(xiàn)20%的營(yíng)收只要一個(gè)季度。2021年，5納米制程的收入占據(jù)總營(yíng)收的19%。如果據(jù)此推算，3納米甚至進(jìn)展到2納米制程的時(shí)候，或許不到一個(gè)月就能貢獻(xiàn)到20%的營(yíng)收。

巨頭進(jìn)擊

 

對(duì)于每一個(gè)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上的公司，都有一條明確的技術(shù)路線圖。

 

每年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各類技術(shù)會(huì)議上，絕對(duì)的重頭戲是討論半導(dǎo)體的技術(shù)創(chuàng)新路線，參與方包括企業(yè)、大學(xué)、研究所，這些交流越深入，技術(shù)路線圖就會(huì)變得越來越清晰。企業(yè)會(huì)資助大學(xué)進(jìn)行前期的研究，研究成果會(huì)定期在技術(shù)會(huì)議上進(jìn)行討論。如果覺得可行，那么設(shè)備廠商就會(huì)開始著手研發(fā)，推出設(shè)備之后，會(huì)拿到研究所去試。這個(gè)過程當(dāng)然談不上良率，但研究人員和企業(yè)都會(huì)提出各種問題，然后進(jìn)行改進(jìn)。半導(dǎo)體廠內(nèi)部也會(huì)有一些項(xiàng)目，站在生產(chǎn)實(shí)用的角度把會(huì)議上提到的研究繼續(xù)工程化，看是否能夠變成商用化的產(chǎn)品。

 

從研發(fā)走到實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。往往需要走7年-10年的時(shí)間。2納米制程的技術(shù)路線，在半導(dǎo)體業(yè)界，2016年的時(shí)候就已經(jīng)很明確了，而在2014年左右，已經(jīng)有研究論文發(fā)表。

 

“設(shè)備廠商很清楚知道我們的目標(biāo)在哪里，兩年后必須要有一個(gè)什么樣的機(jī)器，如果沒做出來，我們的設(shè)備就很容易被淘汰。”一位設(shè)備廠的研發(fā)人員告訴《財(cái)經(jīng)十一人》。因此，設(shè)備廠也在緊鑼密鼓地迭代自己的技術(shù)和產(chǎn)品。

 

這就是摩爾定律的殘酷所在，一旦跟不上某一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就很可能被甩在后面。

 

曾經(jīng)，在進(jìn)行到65納米時(shí)，根據(jù)摩爾定律，下一個(gè)工藝制程推算應(yīng)該發(fā)展157納米光源的光刻技術(shù)，但157納米光源的商業(yè)化進(jìn)程遲遲未能落地，摩爾定律面臨終結(jié)。半導(dǎo)體業(yè)界存在兩種路線的爭(zhēng)論，一個(gè)是繼續(xù)研發(fā)157納米光源的光刻技術(shù)，另一個(gè)是另辟蹊徑，采用臺(tái)積電林本堅(jiān)所提出的浸潤(rùn)式微影技術(shù)。

 

那個(gè)時(shí)候，美國(guó)、歐洲和日本的設(shè)備廠已經(jīng)投下大量研發(fā)費(fèi)，用開發(fā)157納米光源的光刻技術(shù)。

 

彼時(shí)的阿斯麥公司還沒有現(xiàn)在的地位，總共只有30號(hào)人，技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本的光刻公司，光刻機(jī)的巨頭是日本的尼康公司。林本堅(jiān)找到阿斯麥，希望共同研發(fā)浸潤(rùn)式微影技術(shù)，阿斯麥為了能夠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的摩爾定律追逐中生存，對(duì)這個(gè)提議非常上心，大概一年左右拿出了132納米的樣機(jī)，然后在臺(tái)積電的產(chǎn)線上試，很快就實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，率先推動(dòng)了摩爾定律。

 

阿斯麥也在這個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，超越了尼康。而尼康則已經(jīng)把大把錢投入在了157納米光源的機(jī)器上，盡管后面尼康已經(jīng)研發(fā)出了157納米的光刻機(jī)，但市場(chǎng)卻已經(jīng)有了新的產(chǎn)品，尼康被一直壓制到現(xiàn)在。

 

上述設(shè)備廠的研發(fā)人員還記得，在他們公司成立時(shí)，他們就要瞄準(zhǔn)65納米的工藝研發(fā)設(shè)備，做完之后立刻就要做45納米的機(jī)器。“每一代更新、每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的步驟都很明確。”他說，“當(dāng)然，壓力也很大，因?yàn)橹灰淮O(shè)備沒有跟上，公司可能就會(huì)死。”

 

在EDA行業(yè)多年的朱勇對(duì)此深有體會(huì)。目前，新思科技的主流工具是以9個(gè)月為固定周期進(jìn)行版本的更新。他告訴《財(cái)經(jīng)十一人》EDA工具的更新和迭代分為兩種，一種是演進(jìn)式，這是最主要的發(fā)展方式，主要是根據(jù)工藝、應(yīng)用等新的特點(diǎn)和需求對(duì)現(xiàn)有工具進(jìn)行功能增強(qiáng)，這種迭代是持續(xù)進(jìn)行中的。另一種EDA工具的發(fā)展是革命性的，通過推出革命性的工具和方法學(xué)，引領(lǐng)業(yè)界發(fā)展方向的創(chuàng)新。

 

幾年前，新思科技就在和研究院、代工廠一起研發(fā)2納米工藝的EDA工具，在代工廠接下新客戶之前，他們會(huì)拿著新思科技的EDA工具不斷進(jìn)行驗(yàn)證，直到最后通過。“很多研究都是并行的，不是說研發(fā)出了3納米之后，才開始研發(fā)2納米。”朱勇說。摩爾定律就像一個(gè)車輪，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)不斷向前。

誰能勝出？

 

今年6月30日，三星電子宣布，其旗下的華城工廠已經(jīng)利用3納米全環(huán)繞柵極（以下簡(jiǎn)稱：GAA）制程工藝節(jié)點(diǎn)開始量產(chǎn)首批芯片，三星成為了全球首家量產(chǎn)3納米芯片的半導(dǎo)體晶圓代工廠。

 

且不論三星這次3納米GAA芯片良率如何，全球3納米進(jìn)程往前推進(jìn)了關(guān)鍵的一步。

 

臺(tái)積電則宣布將在2022年下半年量產(chǎn)3納米芯片的計(jì)劃。作為全球第一家宣布啟動(dòng)2納米工藝研發(fā)的代工廠，臺(tái)積電預(yù)計(jì)于2025年開始生產(chǎn)2納米芯片。

 

工藝制程指的是芯片上MOS晶體管的源極和漏極的距離。但需要指出的一點(diǎn)是，在進(jìn)入22納米制程之后，實(shí)際的節(jié)點(diǎn)就與柵極的長(zhǎng)度不匹配了。

 

因此，如今各大廠商所說的2納米、3納米的概念，其實(shí)是每個(gè)廠商根據(jù)自身的參數(shù)定義的制程概念。例如，各廠商的3納米制程，是不一樣的參數(shù)。同樣是3納米制程的芯片，其晶體管的密度比臺(tái)積電低，晶體管密度低，在性能上就體現(xiàn)為功耗會(huì)更大，速度慢。很多時(shí)候，先進(jìn)制程的節(jié)點(diǎn)更大意義上成為了代工廠宣傳的手段。

 

根據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖（IRDS）的規(guī)劃，2021年-2022年以后，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式柵極（GAAFET）結(jié)構(gòu)所取代。

 

所謂GAAFET結(jié)構(gòu)，是通過更大的閘極接觸面積提升對(duì)電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。

 

目前看來，GAAFET結(jié)構(gòu)是大勢(shì)所趨。此前，在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入22納米制程時(shí)，業(yè)界普遍采用了FinFET技術(shù)，在這條技術(shù)路徑中，臺(tái)積電一直處于領(lǐng)跑地位。

 

而在GAAFET結(jié)構(gòu)下，三星走得最早，如今還實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。如果2納米制程繼續(xù)沿用GAA結(jié)構(gòu)，三星就已經(jīng)走過了GAA的學(xué)習(xí)曲線，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

 

但看好三星的并不多，走得早，不一定代表走得好。在半導(dǎo)體行業(yè)，這一點(diǎn)尤為明顯。

 

“良率是關(guān)鍵。”多位業(yè)內(nèi)人士告訴《財(cái)經(jīng)十一人》。哪怕是同一制程，甚至同一種工藝架構(gòu)，但每個(gè)代工廠的工藝不同，也都有自己的一套“秘方”。不同“秘方”的優(yōu)劣，體現(xiàn)在最后芯片的良率上。

 

在工藝的研發(fā)上，往往是設(shè)計(jì)企業(yè)與代工廠合作，可以理解為，他們一起來炒一盤紅燒肉。設(shè)計(jì)企業(yè)主要負(fù)責(zé)肉如何選型、做法。代工廠負(fù)責(zé)決定做到幾分熟，用什么溫度炒，放多少鹽、多少糖。所以，盡管切塊、選型都差不多，但調(diào)料不一樣，炒的溫度不一樣，做出來的肉也各式各樣，這就是代工廠的工藝。

 

先進(jìn)制程越往下走，光罩張數(shù)及工藝復(fù)雜度都顯著升高，良率的提升就越難。這不僅考驗(yàn)設(shè)計(jì)企業(yè)、考驗(yàn)代工廠，也考驗(yàn)設(shè)備廠商。

 

基于良率，IP及對(duì)應(yīng)完備工藝設(shè)計(jì)生態(tài)的考慮，在選擇工藝架構(gòu)時(shí)，廠商都非常慎重，非必要不會(huì)更換。這也是臺(tái)積電在3納米制程上沒有選擇新的工藝架構(gòu)GAA的原因。

 

“全新的工藝架構(gòu)，背后是龐雜工程。”上述從事多年先進(jìn)制程研發(fā)人員對(duì)《財(cái)經(jīng)十一人》說。這涉及到機(jī)臺(tái)的更換，機(jī)臺(tái)的更換又涉及到成本、良率以及與新工藝架構(gòu)生態(tài)的建立。臺(tái)積電在進(jìn)行新工藝架構(gòu)的制程開發(fā)，機(jī)臺(tái)的更換的比率盡可能不會(huì)超過10%，這樣能夠保證生產(chǎn)的良率。另一個(gè)巨大的工程是，IP需要重新搭建，重新驗(yàn)證，這對(duì)代工廠和設(shè)計(jì)公司而言重新搭建新的工藝生態(tài)無疑的存在諸多不確定性。“有沒有客戶愿意和你一起來賭新的工藝，這是個(gè)問號(hào)。”他說。

 

這位研究人員告訴《財(cái)經(jīng)十一人》，臺(tái)積電有一個(gè)節(jié)奏咬合緊湊的技術(shù)創(chuàng)新模式。一般會(huì)有三個(gè)團(tuán)隊(duì)，比如，會(huì)有一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事2納米制程的研發(fā)，還有一個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)行1.5納米制程路徑（pathfinding）的研發(fā)，等到3納米制程量產(chǎn)之后，3納米制程的團(tuán)隊(duì)就會(huì)跳到1.5納米的團(tuán)隊(duì)加入研發(fā)，1.5納米的團(tuán)隊(duì)就跳往下一世代的路徑（pathfinding）研發(fā)，如此接續(xù)推進(jìn)。“因此我們外界看到的是臺(tái)積電的產(chǎn)品開發(fā)以兩年為一個(gè)周期，但其實(shí)從準(zhǔn)備到量產(chǎn)，可能就走過了5年-6年時(shí)間。”

 

而臺(tái)積電在控制良率上也有自己的一套工作方式。一位設(shè)備研發(fā)專家如此描述他與臺(tái)積電合作時(shí)的經(jīng)歷，“臺(tái)積電的各大工廠有很大的主動(dòng)性，他們可以根據(jù)實(shí)際情況自己調(diào)整機(jī)臺(tái)的設(shè)定，而不是純粹執(zhí)行研發(fā)所制定的參數(shù)。這對(duì)于良率的提升很有幫助。”這就好比烹飪，同一道菜，用鐵鍋?zhàn)龀鰜淼暮陀蒙板佔(zhàn)龀鰜淼模枰訜岬臅r(shí)間、配料多少可能不盡相同。

 

“有的廠可能一年里可以把良率從20%拉升到80%，這就是晶圓廠的真功夫和本事。”上述研發(fā)人員表示。

 

在新的工藝架構(gòu)之下，可能很難定論誰能勝出，但從當(dāng)下局勢(shì)來看，擁有最長(zhǎng)代工歷史的臺(tái)積電在摩爾定律的推進(jìn)中走得更穩(wěn)。新入局者是否能從臺(tái)積電、三星這些老玩家手中分得一杯羹，可能沒有那么容易。但越往先進(jìn)制程走，就越不單單是一家或幾家企業(yè)能完成的，需要更多全球各方企業(yè)、研究院和政府的加入，與其將先進(jìn)制程視為一場(chǎng)競(jìng)逐，不如將其視為一場(chǎng)全球合作的技術(shù)創(chuàng)新。

 

2納米制程還方興未艾，關(guān)于1.5納米制程的討論已經(jīng)在半導(dǎo)體的技術(shù)討論會(huì)上開始，2025年之后，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的架構(gòu)，業(yè)界稱之為“FortSheet”，到了2030年，又有新的結(jié)構(gòu)被討論出來，并可能成為現(xiàn)實(shí)。摩爾定律會(huì)放緩，但可能會(huì)一直延續(xù)。

作者為《財(cái)經(jīng)》記者