3nm制程競速！國產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)完成3nm芯片測試開發(fā)

吳新

3nm 芯片的消息不少，作為三星、臺積電博弈的關(guān)鍵，3nm制程及芯片從不缺乏話題，不過這一次，“國產(chǎn)半導(dǎo)體企業(yè)完成全球第一顆3nm芯片的測試開發(fā)”卻多少搶了兩大巨擘的風(fēng)頭。

近日，中國半導(dǎo)體企業(yè)利揚芯片在回復(fù)投資者提問時表示：目前 3nm 先進(jìn)制程工藝的芯片測試方案已調(diào)試成功，標(biāo)志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測試開發(fā)，將向量產(chǎn)測試階段有序推進(jìn)。

公司近幾年不斷加大在高端芯片領(lǐng)域的測試研發(fā)投入，尤其是公司的算力芯片測試技術(shù)針對先進(jìn)制程的離散性難題提供全套測試解決方案，重點解決了功耗比、芯片內(nèi)阻、大電流測試電路、測試溫度控制等關(guān)鍵技術(shù)難點，前期已經(jīng)在 8nm 和 5nm 芯片產(chǎn)品上為多家客戶提供量產(chǎn)測試服務(wù)，目前 3nm 先進(jìn)制程工藝的芯片測試方案已調(diào)試成功，標(biāo)志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測試開發(fā)，將向量產(chǎn)測試階段有序推進(jìn)。

廣東利揚芯片測試股份有限公司成立于 2010 年 2 月，自稱是國內(nèi)知名的獨立第三方專業(yè)芯片測試技術(shù)服務(wù)商、國家級專精特新小巨人企業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)，主營業(yè)務(wù)包括集成電路測試方案開發(fā)、12 英寸及 8 英寸等晶圓測試服務(wù)、芯片成品測試服務(wù)以及與集成電路測試相關(guān)的配套服務(wù)。

官方表示，該公司自成立以來，一直專注于集成電路測試領(lǐng)域，并在該領(lǐng)域積累了多項自主的核心技術(shù)，已累計研發(fā) 44 大類芯片測試解決方案，可適用于不同終端應(yīng)用場景的測試需求，完成超過 4300 種芯片型號的量產(chǎn)測試。

此外，該公司還為國內(nèi)知名芯片設(shè)計公司提供中高端芯片獨立第三方測試技術(shù)服務(wù)，產(chǎn)品主要應(yīng)用于通訊、計算機、消費電子、汽車電子及工控等領(lǐng)域，工藝涵蓋 8nm、16nm、28nm 等先進(jìn)制程。

從這里可以看出，利揚芯片更多是負(fù)責(zé)的芯片測試業(yè)務(wù)，而非制造業(yè)務(wù)，相對門檻更低一些，但在利揚芯片之前，三星、臺積電都已宣稱各自的3nm芯片量產(chǎn)有望在2022年實現(xiàn)，這一制程工藝究竟有何魅力？

55nm、28nm、14nm、7nm……芯片制程工藝的更迭從未停止過。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗之談，其核心內(nèi)容為：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。晶片上可容納的電晶體數(shù)量大約每隔兩年增加1倍。工藝節(jié)點的現(xiàn)狀是，摩爾定律逐漸放緩。

隨著3nm工藝的臨近，人類正在逼近硅基半導(dǎo)體的極限，此前臺積電有信心將工藝推進(jìn)到2nm甚至1nm，但還是紙面上的，相關(guān)技術(shù)并沒有走出實驗室呢。

如果不能解決一系列難題，3nm工藝很有可能是未來CPU等芯片的極限了，但是10年前我們覺得65nm工藝是極限，因為到了65nm節(jié)點二氧化硅絕緣層漏電已經(jīng)不可容忍，可芯片制造企業(yè)研發(fā)出了HKMG，用high-k介質(zhì)取代了二氧化硅，傳統(tǒng)的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結(jié)構(gòu)變成了金屬-highK-單晶硅結(jié)構(gòu)……每一次我們認(rèn)為極限即將到來時，技術(shù)突破總會推動著產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

英特爾、三星、臺積電和其他公司正在為從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節(jié)點的新型全柵場效應(yīng)晶體管（GAA FET）過渡奠定基礎(chǔ)，這種過渡將從明年或2023年開始。

GAA FET將被用于3nm以下，擁有更好的性能、更低的功耗和更低的漏電壓。雖然GAA FET晶體管被認(rèn)為是FinFET的演進(jìn)，并且已經(jīng)進(jìn)行了多年研發(fā)，但任何新型晶體管或材料對于芯片行業(yè)來說都是巨大的工程。需要指出的是，雖然同為納米片F(xiàn)ET，但GAA架構(gòu)有幾種類型?；旧?，納米片F(xiàn)ET的側(cè)面是FinFET，柵極包裹著它，能夠以較低的功率實現(xiàn)更高的性能。

平面晶體管與FinFET以及GAA FET，來源：Lam Research

“GAA技術(shù)對于晶體管的持續(xù)萎縮至關(guān)重要。3nm GAA的關(guān)鍵特性是閾值電壓可以為0.3V。與3nm FinFET相比，這能夠以更低的待機功耗實現(xiàn)更好的開關(guān)效果。” IBS首席執(zhí)行官Handel Jones說。“ 3nm GAA的產(chǎn)品設(shè)計成本與3nm FinFET不會有顯著差異。但GAA的IP認(rèn)證將是3nm FinFET成本的1.5倍。”

高遷移率溝道并不是新事物，已經(jīng)在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來了集成方面的挑戰(zhàn)，供應(yīng)商正在采取不同的方法解決：

·在IEDM（國際電子元件會議）上，英特爾發(fā)表了一篇有關(guān)應(yīng)變硅鍺（SiGe）溝道材料的納米片pMOS器件的論文。英特爾使用所謂的“溝道優(yōu)先”流程開發(fā)該器件。

·IBM正在使用不同的后溝道工藝開發(fā)類似的SiGe納米片。

·其他溝道材料正在研發(fā)中。

掌握3nm制程工藝主動權(quán)就掌握下一代芯片制造的主動權(quán)，對于從事芯片代工的三星和臺積電而言，3nm制程的確是必爭之地。

據(jù)《聯(lián)合報》報道，臺積電決定如期在2022年推動3nm芯片量產(chǎn)，目前臺積電初步規(guī)劃新竹工廠每月產(chǎn)能1萬至2萬片，臺南工廠產(chǎn)能為1.5萬片。臺積電決定今年率先量產(chǎn)第二版3nm制程N3B，將于今年8月于新竹12廠研發(fā)中心第八期工廠及南科18廠P5廠同步投片。分析師表示，第一批客戶包括蘋果和英特爾公司。

臺積電的3nm技術(shù)（N3）將是5nm技術(shù)（N5）后的又一全節(jié)點技術(shù)，并在推出時提供PPA和晶體管技術(shù)中最先進(jìn)的代工技術(shù)。與N5技術(shù)相比，N3技術(shù)將提供高達(dá)70%的邏輯密度增益、高達(dá)15%的速度提升以及高達(dá)30%的功耗降低。N3技術(shù)開發(fā)進(jìn)展順利。N3技術(shù)將為移動和HPC應(yīng)用程序提供完整的平臺支持。

有意思的是在2022年上半年最后一天，三星“壓哨”實現(xiàn)了自己對3nm量產(chǎn)時間的承諾。6月30日上午，三星電子發(fā)布公告，稱該公司已開始量產(chǎn)基于GAA晶體管（Gate-All-Around FET，全環(huán)繞柵極）結(jié)構(gòu)的3nm芯片。

這也意味著三星領(lǐng)先臺積電，正式成為全球第一家實現(xiàn)3nm制程量產(chǎn)的廠商。根據(jù)行業(yè)跟蹤機構(gòu)TrendForce的數(shù)據(jù)，今年第一季度，臺積電占據(jù)了全球代工市場的53.5%，其次是三星，占16.3%。

目前，全球有意愿且有條件發(fā)展3nm芯片制造的廠商有臺積電、三星、英特爾三家。按計劃，臺積電的3nm制程將在2022年下半年量產(chǎn)，而英特爾7nm制程改名后的Intel 4也計劃在2022年下半年量產(chǎn)。

雖然三星和臺積電兩家在3nm芯片量產(chǎn)時間上看似你爭我奪，但實際上早就有消息傳出蘋果已經(jīng)預(yù)定臺積電最初一批采用3nm工藝的芯片產(chǎn)能，用于生產(chǎn)iOS設(shè)備和自研芯片，而在此前的7nm上，2019年，臺積電代工7nm已超100種，蘋果、高通、AMD、聯(lián)發(fā)科等行業(yè)巨頭的訂單都被臺積電拿下;在5nm上，由于遇上EUV工藝成品率的問題，三星開始量產(chǎn)5nm時，臺積電已拿下蘋果、高通的大單。

從這里看，三星已落后臺積電一大截，其急于在3nm上扳回一局的心態(tài)就很好理解了，而國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)除專注測試等環(huán)節(jié)，在制造環(huán)節(jié)會跟進(jìn)3nm嗎？顯然，處于追趕的國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)更多精力還是在28nm等規(guī)格芯片的制造上。

以中芯國際為例，其已經(jīng)對外公布了2022年的資本開支計劃，計劃拿出50億美元，主要用于28nm等芯片的產(chǎn)能提升，部分用于發(fā)展先進(jìn)制程的芯片工藝。

當(dāng)然，中芯國際將重心放在28nm等芯片上，也是有原因的。

首先，全球缺芯缺少的就是28nm等芯片，中芯國際又是最先擴大28nm等芯片產(chǎn)能的廠商，最快2023年就將投產(chǎn)使用。

數(shù)據(jù)顯示，已經(jīng)有大量的訂單排隊等待，再加上，汽車等行業(yè)的缺芯情況并沒有得到明顯的改善，只要有28nm等芯片的產(chǎn)能，就不愁沒有訂單。更何況，在中芯國際已經(jīng)量產(chǎn)的芯片中，其敢于同國際大廠相比較，也就是說，中芯國際28nm等芯片的良品率也是世界先進(jìn)的。

從這里看，爭奪3nm制造暫時意義不大，但是通過承接部分業(yè)務(wù)，進(jìn)一步加強同全球先進(jìn)芯片制造生態(tài)的聯(lián)系，并在成熟的制程工藝領(lǐng)域捕獲紅利和客戶，才是當(dāng)前國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)專注的地方。