[原创] 10nm的尴尬
2019-12-17
14:00:26
来源: 半导体行业观察
目前，业界量产的最先进制程已经来到了7nm，上一代工艺则是10nm。而有公开的10nm规划，且已经或即将量产该工艺节点芯片的厂商，也只有台积电、三星和英特尔这三家了。此外，中芯国际很可能也在进行着10nm、7nm制程的研发工作，但具体情况还未公开，略显神秘。
在10nm节点处，就台积电、三星和英特尔这三家公司而言，颇有许多相似之处，无论是发展遇到瓶颈，还是出于公司自身先进制程的发展规划，都使得10nm这个制程节点显得有些“另类”。
台积电的10nm过渡
从14nm制程，台积电就反超了以前一直在先进制程方面处于领先地位的英特尔，当然，台积电官方的命名是16nm，实际上，这与英特尔和三星的14nm处于同一级别。
英特尔在14nm节点处徘徊了许多年，而其10nm制程迟迟不能量产，给了台积电进一步超越的机会。
台积电早在2013年就开始了10nm工艺的研发。而按照早期规划，台积电的计划是 2016 年第四季度量产10nm工艺。而实际量产时间与其规划基本吻合，2017年初实现了量产，标志性应用就是苹果的A11处理器，这给台积电带来了巨大的收益。
来自台积电的统计显示，2017年，10nm营收在该公司所有制程中的占比为10%，2018年Q2，占比上升到了13%，Q3占比为6%，2018全年营收占比为11%。
可见，在这两年里，10nm营收的比例基本持平，且相对份额不高，28nm、16nm和20nm一直是该公司收入的主要来源。
台积电16nm/20nm制程在经历了2016年第四季度的峰值之后，客户在2017年有很大一部分转移到了10nm上，其中华为海思的麒麟970和苹果的A10X，A11处理器是台积电10nm制程的主要客户。
但是，在2017上半年，联发科为了进攻高端市场，全力打造Helio曦力品牌，推出了x30处理器，工艺制程也从原先的16nm，升级到10nm，计划交给台积电代工生产。但是，台积电一方面要解决10nm制程良率的问题，一方面要全力供给苹果处理器，造成联发科x30处理器难产。这间接导致在华为和苹果试水之前，几乎没有厂商大规模采用台积电的10nm制程。这也成为了该公司10nm制程发展的一个障碍。
说到这里，不禁让我们回忆起了2015年初，台积电的一次预估，当时，来自台湾地区的经济日报称，当时的台积电共同执行长刘德音在美林论坛专题演讲中指出，物联网将是继移动设备之后，半导体产业新的增长点。刘德音预估，2020年，10nm制程占台积电总营收比重将达到55%。
然而，实际情况与当时的预测似乎有比较大的出入，今年10月，台积电第三季度财报显示，该公司当季的7nm制程营收比重达到27%，10nm比重降为2%，16nm占22%。
魏哲家表示，2019全年7nm制程营收比重约25%，明年，随着5G与高效运算应用持续增长，7nm制程比重有望高于今年水平。
由上图可以看出，台积电将重点放在了7nm上，10nm似乎是一个过渡性的制程节点，所占比重在不断降低。
今年9月，IC Insights预期台积电今年下半年的营收有望较上半年大增32%，是整体IC产业增长率（10%）的三倍以上。苹果、华为最新智能手机的7nm处理器，是台积电下半年营收强力反弹的主要推手。
总体来看，7nm量产之后，台积电就将主要资源投入在了该制程方面，10nm在比较短的时间内，就完成了它的历史任务。
英特尔的10nm难产
英特尔也是比较早就开始了10nm的研发，原计划是在2016年量产，当时，EUV还不成熟，因此，英特尔选择了多重四图案曝光（SAQP）技术，但研发过程中遭遇困难，导致10nm量产时间一再推迟。而从当时的情况来看，采用SAQP技术造成良率较低可能是迟迟无法规模量产的主要原因。
在那之后，英特尔一直未对外公布10nm量产进度，2017年初，时任英特尔CEO科再奇在美国CES展会前，宣布首颗10nm处理器Cannon Lake就绪，将迎战台积电和三星。然而，没过多久，英特尔官方对外发布了继承当年主打的第七代核心处理器Kaby Lake的第八代Core处理器细节，表示仍将采用14nm制程生产，10nm量产时间又被延迟了。
2017年7月，科再奇在财报发布会上指出，首颗10nm处理器正对客户送样中，将于年底生产，并于2018上半年出货。不过，从当时英特尔宣布的进度来看，10nm制程的进度仍落后于三星和台积电两到三个季度。
2018年5月，科再奇终于承认该公司正在量产10nm制程芯片的漩涡中挣扎。此前有分析师指出，与14nm工艺相比，英特尔将晶体管规模提升2.7倍的10nm制程目标略有些激进。科再奇承认，公司已认识到了这一点，并在努力提升良率。遗憾的是，这需要大量的时间。
2018年11月，在瑞士信贷22届TMT大会上，时任英特尔临时CEO的Swan又重申了他们的10nm工艺路线图：2019年FPGA首先用上10nm制程，2020年初服务器芯片快速跟进，2020年大部分处理器将进入10nm时代，而英特尔也强调他们在2019、2020年及之后的时间里将继续保持领导地位。
Swan也再次解释了他们的10nm工艺为何难产，主要是挑战太大，这个问题他们之前在财报会议上多次提到，相比业界通常的2x晶体管水平，英特尔的10nm制程水平达到了2.7x，高于业界同类水平，但这会导致10nm制程难度过大、良率太低，迟迟不能量产，只能一再延期。
本月初，在瑞士信贷年度技术会议上，Swan表示：“英特尔没有及时推出10nm制程，主要是因为我们对自己超越行业标准的能力过于自信，我们可以将其理解为“Scar Tissue”法则。Scar Tissue 始于摩尔定律，是每两年乘以一个比例因子的简单法则。尽管会面临越来越大的来自物理方面的挑战，但我们仍会将性能设定为最高的标准。”因此，可以说，该公司所认为的10nm制程，其实是竞争对手的7nm。
上周，在IEEE国际电子设备会议（IEDM）上，英特尔发布了未来10年制程工艺路线图，其中就包括10nm的最新规划。在两代工艺节点之间，英特尔将会引入+和++工艺迭代版本，而该公司的10nm目前已经处于10+版本阶段，将在2020年和2021年分别看到10++和10+++版本。
至此，英特尔的10nm终于在2019年底实现量产了。
三星10nm镜像台积电？
2015年7月，三星电子旗下的制造部门Samsung Foundry的Kelvin Low 在网上发布了一段视频，确认三星已经将 10nm FinFET 工艺正式加入路线图。
此前，三星曾经在旧金山于当年2月举办的国际固态电路会议（International Solid State Circuit Conference，ISSCC）上展示了全球首款10nm FinFET制程晶圆。
2015年，三星凭借14 nm FinFET 制程工艺拿下了苹果大部分的A9处理器订单，而从2016年的A10处理器开始，苹果的订单则全部被台积电占有，三星失去了这个大客户。
2016年11月，三星开始将10LPE制程技术应用到其生产的SoC中。这一技术与三星之前使用的14LPP工艺相比，将能够缩小30%的晶片面积，同时能够降低40%的功耗或者是提高27%的性能（以同样的能耗）。
2017年，几乎与台积电同步量产10nm制程后，三星将大部分的高通骁龙处理器订单收至麾下。不过，为了赶上台积电7nm制程量产的步伐，三星在10nm上花费的精力和时间也比较有限，2019年，三星的7nm制程收到了高通骁龙765的订单。而与台积电相似，将规划的重点放在了未来的5nm和3nm上，10nm很可能也是昙花一现。
中芯国际加快脚步
在先进制程的进展方面，中芯国际直到2015年第4季度才初步量产28nm制程技术，而14nm FinFET制程在近期实现量产，有营收入账，再次较台积电迟到了3年。而在12nm FinFET制程方面，中芯国际已经开始客户导入，预计2020年正式发布。
而在先进制程进度落后的情况下，在市场竞争中确实处于不利位置，这也是为什么中芯国际一直没有将28nm制程的规模扩大的重要原因，由于28nm制程是台积电的主要收入来源，如果中芯国际在该节点上投入过大，在竞争对手设备折旧基本完成，且具有先发和规模优势的情况下，会带来很大的经营风险。
因此，最近几年，中芯国际一直争取在先进制程方面加快研发进度，如果明年能够实现12nm量产的话，下一步的10nm、7nm会如何规划呢？鉴于三大晶圆厂在10nm节点处的表现和规划，中芯国际是否会在10nm处的发展策略方面跟随其28nm的轨迹，而将重点投入在7nm，甚至是更先进的5nm上呢？
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