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02/10/2020

【晶片決鬥】次世代晶片巔峰之戰:三星、台積電3奈米製程較高下!

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  • 方展策

    方展策

    少年時,曾研習 Geographic Information System,可惜學無所成,僥倖畢業。成年後,誤打誤撞進入傳媒圈子,先後在印刷、電子、網絡媒體打滾,略有小成。中年後,修畢資訊科技碩士,眼界漸擴,決意投身初創企業,窺探不同科技領域。近年,積極鑽研數據分析與數碼策略,又涉足 Location Intelligence 開發項目;有時還會抽空執教鞭,既可向他人分享所學,亦可鞭策自己保持終身學習。

    智城物語

  在講求運算速度的數碼年代,全球半導體製造業者均埋首於微縮晶片製程,以造出運算效能更高的晶片。踏入2020年,晶片製程從7奈米跨進5奈米世代,台積電(TSMC)先拔頭籌,4月已能投入量產,競爭對手三星(Samsung)則要等到年底才可量產。不過,這只是先進製程競賽的起點,下一個新戰場將會是3奈米以下製程。三星率先發表全新架構的3奈米技術,台積電則祭出2奈米製程來反制對手。究竟在新一輪晶片製程巔峰決戰中,誰會是最終勝利者?

 

先進製程架構將從FinFET轉進GAA,三星宣告會於3奈米改用GAA,台積電預計會在2奈米轉用GAA,英特爾則可能會在5奈米使用GAA。(圖片來源:Samsung官網)

在三星、台積電的先進製程角力中,高通大玩左右逢源,Snapdragon 875下單給三星5奈米,Snapdragon 885則會重回台積電5奈米。(圖片來源:Qualcomm官網)

 

三星率先進入GAA新架構

 

  自英特爾(Intel)2012年在22奈米晶片引入「鰭式電晶體」(FinFET)架構後,全球晶片業者都在此基礎上進行研發,當今最先進的5奈米製程仍屬FinFET架構的製品。然而,當製程要微縮至3奈米時,FinFET卻會產生電流控制漏電的物理極限問題。

 

  為解決這個問題,三星於2019年5月率先提出,擬在3奈米轉進全新架構「閘極全環」(Gate-All-Around,GAA),2020年第二季將加強採用極紫外光(EUV)微影技術的競爭優勢,把目光放在3奈米GAA製程的研發,並宣布量產時程為2021年。但其宿敵台積電卻表明,3奈米製程依然會使用FinFET架構,預計在2021年試產,2022年下半年量產。三星3奈米的公告量產時程比台積電為早,又採用更先進的GAA架構,技術上暫時領先。

 

  同時,三星又積極殺價搶單,既憑5奈米製程奪得高通(Qualcomm)的5G手機處理器訂單,又以8奈米拿下英偉達(NVIDIA)的圖像處理器大單,似乎一下子逆轉形勢。因此,外界都在觀望台積電如何接招。

 

三星5奈米製程客戶群擴展緩慢,近期新增的訂單,無論是NVIDIA RTX 30系列的圖像處理器,抑或高通Snapdragon 750G手機處理器,只屬報價便宜的8奈米,可見客戶對三星5奈米製程信心度不足。(圖片來源:Samsung官網)

 

台積電製程藍圖全面公開

 

  2020年8月,台積電終於出招,公開發表其先進製程部署藍圖。5奈米晶片已於4月如期投產,現正加速量產;2020年底將推出6奈米晶片;2021年會量產5奈米加強版N5P,較原先計劃提前一年;2022年會量產4奈米,同樣較原先公布提早一年;3奈米則會在2022年下半年大規模生產,與原本預期的時間相符。相比起三星的口號式製程規劃,台積電製程推進是按部就班循著既定計劃執行,量產時程非常清晰明確。

 

  同時,台積電又公布了2奈米製程最新進展——坐落於台灣新竹的2奈米製程研發中心已在興建中,2奈米生產線亦正在當地尋找合適選址。儘管台積電未有透露2奈米的技術細節,只強調將會是全新架構,但外界相信這新架構正是GAA。

 

  台積電因擁有較佳的生產良率與製程技術,故此只用FinFET架構也能進入3奈米製程;要到更細小的2奈米,才有需要轉換跑道至GAA。有消息指,台積電2奈米開發已離開尋找路徑階段(Pathfinding),進入交付研發階段,可望於2023年下半年作風險性試產。

 

台積電獲蘋果研發能量

 

  根據市場觀察,台積電5奈米的生產良率已快速追上7奈米,加上5奈米加強版與4奈米都可提前一年量產,所以業界看好2奈米試產良率可達9成。至於三星,一直以來良率都受到詬病,據傳因5奈米良率不佳,高通需轉向台積電求援。最終,高通基於保險起見,雖然Snapdragon 875與X60仍下單給三星5奈米,但新一代Snapdragon 885卻已確定投入台積電5奈米的懷抱。

 

  因此,即使三星能夠比台積電更早量產3奈米晶片,惟GAA屬全新架構,生產良率與性能未必能壓過台積電3奈米FinFET,再加上台積電搶先一步發表2奈米製程最新狀況,令三星在技術上彎道超車的意圖可能要落空了。

 

  更有消息指,蘋果(Apple)已提前包下台積電2奈米的產能,並會與台積電合作議定相關的技術規格;換言之,台積電2奈米GAA已獲蘋果的大力支持與共同研發能量,進一步鞏固其先進製程的技術優勢。

 

台積電的2奈米研發與生產基地將落戶於台灣新竹寶山,計劃興建4座超大型晶圓廠。(圖片來源:台積電官網)

國際半導體產業協會(SEMI)剛公布的最新報告指出,2020年台灣半導體業的產值增長率為16.7%,總產值將高達新台幣3兆元(約8,000億港元)以上,超越韓國,躍居全球第二大,僅次於美國。(圖片來源:台積電官網)

 

晶片製程只是數字遊戲

 

  在製程技術競賽上,全球最大半導體製造商英特爾(Intel)似乎已是吊車尾。可是英特爾強調,其奈米節點時程看似落後,惟實際性能卻未必遜於對手。Intel前一代14奈米的電晶體數量為44.67百萬顆,來到10奈米則增加到100.78百萬顆,增幅達2.26倍。相較之下,台積電7奈米的電晶體數量僅比前一代10奈米提高了1.6倍,達到91.2百萬顆,即是說英特爾10奈米的效能至少等同於台積電7奈米。

 

  近年三星、台積電的新晶片均以製程數字來命名,令業界掀起一股追求更小製程數字的風潮。英特爾表明,不會參與這場數字遊戲,寧願堅守「摩爾定律」,採用最為嚴謹的節點命名,並保持每一代製程升級,電晶體數量都會是前一代的兩倍。

 

英特爾伺機隨時反攻

 

  事實上,英特爾始終擁有深厚的技術根底,縱使製程研發遇挫,仍可另闢蹊徑來強化晶片效能。2020年9月3日,英特爾發表第11代Core-i處理器,採用10奈米加強版SuperFin製程,藉由增加FinFET鰭式電晶體架構中的「鰭」,帶來20%的效能提升,令其運算能力超越台積電7奈米晶片。

 

  假如英特爾能夠重新調整其研發步伐,並下定決心擴大委外代工和調配產能,便可集中資源開發下一代5奈米GAA,再與三星、台積電在製程技術上一較高下。

 

英特爾共同創辦人戈登‧摩爾(Gordon Moore)在長期觀察半導體產業後指出,晶片上的電晶體密度每兩年會增加一倍,這為晶片製造業者提供了發展依據與目標,因而被稱為「摩爾定律」(Moore's law)。(圖片來源:台積電官網)

代號為「Tiger Lake」的第11代Core-i處理器,採用英特爾10奈米加強版SuperFin製程,效能比之前的10奈米晶片提升20%。(圖片來源:Intel官網)

 

 

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