[原创] 3nm备战进入倒计时
2021-01-26
14:00:03
来源: 半导体行业观察
上周，业内最受关注的新闻，非三星计划在美国德克萨斯州奥斯汀建设一个价值100亿美元的晶圆厂莫属了。这被认为是其追赶台积电发展步伐的又一举措。实际上，三星在美国建新晶圆厂已经不是什么新闻了，该公司在这方面早有想法，特别是去年台积电宣布在美国亚利桑那州投资120亿美元新建5nm晶圆厂以后，三星希望在其美国原有晶圆厂的基础上，更上一层楼，不被台积电甩在远处。
在5nm制程方面，三星已经赶上了台积电的脚步，于2020年实现了量产。但在3nm上，三星似乎还是落后于台积电的，据报道，台积电已经为其3nm工艺的晶圆厂投资了200亿美元。为了缩短差距，有报道称，三星将完全跳过4nm制程节点，直接上3nm。
由于3nm制程工艺的难度极大，如果三星美国工厂计划生产3nm制程芯片的话，按照正常进度，目前还处于初步计划阶段的德克萨斯州奥斯汀的晶圆工厂，在2023年前难以开展生产。而台积电的3nm制程工艺将于今年进行试产，2022年量产。这对于力求赶超台积电的三星来说，压力还是很大。不过，相信三星3nm制程的主阵地应该还是在韩国本土的。
同5nm一样，全球半导体业具备且正在3nm制程上进行竞争的产商，依然只有台积电和三星这两家。由于3nm工艺更加高精尖，这种“塔尖上”的竞争会更加激烈，因为能够给这两大晶圆厂提供相关设备、工具、材料、服务等的上游企业更少了，这对于上游供应商来说是个好消息，因为它们的竞争者很少，但对于下游的台积电和三星来说，可选择的上游供应链余量更有限了，特别是对于三星来讲，难度恐怕会更大。
晶圆厂建设
台积电方面，该公司董事长刘德音曾经表示，在3nm制程上，于南科厂的累计投资将超过 2万亿元新台币，目标是3nm量产时，12英寸晶圆月产能超过60万片。60万片的月产能，这是一个非常惊人的数字，不过，在量产初期是达不到的，需要一个过程。据Digitimes报道，台积电3nm芯片在2022年下半年开始量产，单月产能5.5万片起，2023年，将达到10.5万片。
台积电在台南科学园区有3座晶圆厂，分别是晶圆十四厂、晶圆十八厂和晶圆六厂，其中前两座是12英寸晶圆厂，后一座是8英寸晶圆厂。晶圆十八厂是5nm制程工艺的主要生产基地。而除了5nm工艺，台积电3nm制程工艺的工厂，也建在台南科学园区内，他们在2016年就公布了建厂计划，工厂靠近5nm制程工艺的主要生产基地晶圆十八厂。
2020年11月，台积电举行了南科晶圆十八厂3nm厂新建工程上梁典礼，预计今年装机，并于年底试产。
三星方面，2020年初，有外媒报道称，三星已开始其新建的V1晶圆工厂的大规模生产，成为业内首批完全使用6LPP和7LPP制造工艺的纯极紫外光刻（EUV）生产线。而该工厂还被认为是三星3nm制程的主阵地。
据悉，三星V1晶圆厂位于韩国华城、毗邻 S3。三星于2018年2月开始建造V1，并于2019 下半年开始晶片的测试生产。目前，该公司还在扩大V1晶圆厂的产能规模，也在紧锣密鼓地为3nm量产做着准备。
设备
为了如期量产3nm制程芯片，台积电一直在加大投资力度，2021年全年投资预估达到了280亿美元，预计超过150亿美元会用于3nm制程。其中，很大一部分都要用于购买半导体设备，涉及的厂商主要有ASML、KLA、应用材料等，他们供应的光刻机、蚀刻机等都是制造3nm制程芯片的重要设备。
全球排名前五的半导体设备供应商在台积电采购中占比达75%，其中，ASML占比1/3，是第一大设备供应商。据统计，2019年台积电设备采购中，ASML光刻机等设备金额约为34亿美元，占台积电总采购额的33%，其次是应用材料，采购额约为17亿美元，占比16%，TEL约12亿美元，占11%，Lam Research为10亿美元，占台积电采购额的9%，迪恩士占5%，KLA占4%。
对于3nm这样尖端地制程工艺来说，光刻机地重要性愈加突出，而能提供EUV设备的，只有ASML一家，因此，该公司对于台积电和三星的重要性也愈加突出，双方都在尽可能地从ASML那里多获得一些最先进地EUV设备。
不久前，ASML CEO Peter Wennink在财报会上指出，5nm制程采用的EUV光罩层数将超过10层，3nm制程采用的EUV光罩层数会超过20层，随着制程微缩EUV光罩层数会明显增加，并取代深紫外光（DUV）多重曝光制程。
1月20日，ASML公布了2020全年财报，数据显示，2020年，该公司累计交付了258台光刻机，其中EUV光刻机31台。按照交付地区划分，中国台湾地区排名第一，占比36%；韩国排名第二，占比31%；中国大陆排名第三，占比18%。显然，台积电和三星获得了ASML绝大部分的EUV光刻机。
封测
近些年，台积电一直在布局先进封测厂。目前，该公司旗下有4座先进封测厂，分别是先进封测一厂、先进封测二厂、先进封测三厂和先进封测五厂，它们位于竹科、中科、南科、龙潭等地，苗栗竹南封测基地将是其第五座先进封测厂。该厂预计投资3000亿元新台币，位于竹南科学园区周边特定区、大埔范围。
目前来看，该公司7nm制程芯片封测工作已经能够自给自足了，5nm的也在不断扩充之中。面向3nm的封测产线也在建设当中。
为了满足5nm及更先进制程的需求，台积电已建立了整合扇出型（InFO）及CoWoS等封测产能支持，完成了3D IC封装技术研发，包括晶圆堆叠晶圆（WoW）及系统整合单芯片（SoIC）等技术，预计竹南厂将以3D IC封装及测试产能为主，计划今年量产。
人才
对于3nm制程而言，人才更加稀缺，而台积电在这方面具有更多优势，基于此，可以优中选优，挑选出更合适的人才，特别是领军人物。
2020年5月，台积电一项副总级的调动，引起了业内关注。资深副总秦永沛和王建光的职掌内容交换，原负责所有晶圆厂营运的王建光，转任企业规划组织，主要负责产品订价及产品开发；王建光原职掌项目由秦永沛负责，接手所有晶圆厂制造及营运。
两位资深副总的职掌交换，被视为不同业务的历练，一位负责接单，一位统管晶圆厂，就像过去创办人张忠谋对现任董事长刘德音与总裁魏哲家的安排类似，而时间点又正值将进入3nm制程阶段，引起接班梯队的联想。
据悉，秦永沛在台积电过去推进先进制程的过程中，无役不与。这次的调度时机正好是在台积电5nm量产，即将进入3nm之际，两个先进技术的生产重心都落在最先进的晶圆十八厂，就是由他负责。因此，秦被视为是台积电3nm最主要的操盘手。
在3nm技术研发方面，现在是由研发资深副总米玉杰领军。米玉杰是台积电7nm、5nm的研发大将，接下来的3nm及2nm也是由他主导，他是目前台积电两位研发资深副总之一，另一位是罗唯仁。米玉杰的研究成果，会决定台积电生产的表现，他的研究结果再交给罗唯仁的团队，负责研发出如何量产的技术，两人是研发的火车头。
此外，台积电在先进制程可以一直领先对手的关键就是封装。封装技术是台积电拿下苹果订单的决胜武器。半导体产业面对物理极限挑战，为了能在同一颗芯片里装进更多晶体管，于是有了先进封测计划。三星就是因为没有这样的技术，所以才与苹果单失之交臂。
台积电在封装领域的灵魂人物是余振华与廖德堆两位副总。余振华是台积电闻名世界铜制程技术的重要推手，也是台积电目前后段封测的研发推手；廖德堆2002年加入台积电之前曾在特许半导体及应用材料任职过，曾任晶圆六厂的厂长和后段技术暨服务处资深处长，现负责管理后段技术与营运。
客户
上周，据国外媒体报道，由于芯片制程工艺领先，还有更多的厂商在寻求获得台积电产能的支持，目前已知英伟达和高通正在寻求获得台积电3nm芯片制程工艺的产能支持。
此前有报道称，台积电共为3nm工艺准备了4波产能，首波产能中的大部分会留给多年的大客户苹果，后3波将被高通、赛灵思、英伟达、AMD等厂商预订。
具体来看，有报道称，台积电3nm制程的初期订单，已被苹果的Mac台式机/笔记本芯片、iPhone/iPad所用的A17芯片，以及英特尔的最先进CPU包下。
除了苹果A17、英特尔订单外，包括AMD、NVIDIA，以及2020年转向拥抱三星5nm的高通等芯片大厂，据称也都已经预定了台积电3nm制程在2024年的产能。
此外，2020年底，台积电又宣布，将会在2023年推出3nm工艺的增强版，命名为“3nm Plus”，首发客户是苹果。如果苹果继续一年一代芯片，那么到2023年使用3nm Plus工艺的，将会是“A17”。台积电没有透露3nm Plus相比于3nm有何变化，但是显然会有更高的晶体管密度、更低的功耗、更高的运行频率。
结语
有报道称，三星的3nm制程也将定在2022年量产，就是要与台积电一较高下。目前已进入2021年，按照台积电的计划，今年就要进行3nm制程的风险试产，明年量产，而三星也在加快进度。这两大晶圆代工厂的3nm制程争夺战已进入倒计时阶段，在接下来的一年多时间里，两家前进和追赶的步伐将呈现出更快的节奏。
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