为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

过去几十年,摩尔定律让处理器性能快速提升,随着摩尔定律放缓,性能和需求之间的矛盾日益明显。一方面是智慧手机、HPC、AI 对处理器性能不断增加的需求,另一方面则是半导体製程提升难度大增与高昂成本。不过,先进半导体製程依旧是提升处理器性能最直接的办法,因此先进製程更受业界关注。

英特尔 10 奈米製程一再延期时,台积电就已量产 7 奈米。当英特尔 10 奈米製程 2019 年量产不久,台积电就在 2020 上半年量产 5 奈米製程,曾经落后的台积电为何能取得今天的成就?

本週,台积电在上海举办一年一度 2019 中国技术论坛,技术论坛演讲时,台积电全球总裁魏哲家表示,目前市面 7 奈米产品全都出自台积电。他同时透露,台积电 5 奈米技术已有客户在此技术基础上设计产品,2020 年第一到第二季将量产。

从落后到反超的两个技术节点

首先需要确定,台积电能取得今天的成绩并非一朝一夕,且今天的优势并不代表未来的成功。这家目前全球最大的晶圆代工企业成立于 1987 年,台积电成立之时,半导体巨头都是 IDM 模式,也就是一家公司要完成从设计到製造再到封测的全部工作。那时,无晶圆晶片公司设计完晶片之后,想请有晶圆厂的巨头帮忙代工晶片并不容易。

台积电创始人张忠谋从美国回到台湾,抓住机会成立台积电,专门从事晶圆代工,也就是人们常说的晶片代工。台积电这种商业创新如今看来深刻影响了半导体产业的发展,但在台积电成立之初,半导体行业处于低迷期,晶片製造技术远远落后于英特尔等晶片巨头,因此只能靠少量订单艰难生存。

但伟大的企业家总能带领公司解决挑战,在张忠谋的领导下,凭藉英特尔认证的背书,加上半导体市场转暖,台积电营收迎来快速增长。1995 年营收超过 10 亿美元,1997 年达成 13 亿美元营收,5.35 亿美元的巨额盈利让台积电当时就成了最赚钱的台湾企业。

不过,台积电逐步取得技术领先是在成立 20 年后。1999 年,台积电领先业界推出可量产的 0.18 微米铜製程製造服务。2001 年,台积电推出业界第一套参考设计流程,协助开发 0.25 微米及 0.18 微米的客户降低设计难度,以达成快速量产目标。

2005 年,台积电又领先业界成功试产 65 奈米晶片。此时,随着晶体管体积进一步缩小,难度增加让成本大涨,众多晶片巨头都停止投入先进晶圆厂,这给专门提供晶圆代工服务的台积电带来机会。

进一步扩大台积电实力的技术节点是 28 奈米。进入 28 奈米製程时,有个关键的技术选择──先闸极(Gate-first)与后闸极(Gate-last),格芯和三星都选择先闸极技术,台积电透过认真研究两种技术,坚定选择后闸极技术,结果台积电 2011 年一举成功量产,三星与格芯的生产良品率却始终无法提升。

为巩固优势,台积电针对智慧手机晶片设计的主流製程一连推出 4 个版本,每年新推出的製程不但较前一代速度提高、晶片尺寸微缩 4%,还省电 30%。藉此,台积电在 28 奈米节点就建立了很高的壁垒。

台积电成功的 3 个关键

魏哲家表示,台积电成功最主要靠 3 个支撑点:技术、生产和信任。

为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

台积电全球总裁魏哲家。

技术路线为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

根据台积电的说法,台积电 7 奈米获得 60 个 NTO(New Tape Out,新产品流片),2019 年将突破 100 个。7 奈米之后,台积电推出了 7 奈米+ 製程,台积电首个使 EUV 光刻技术的节点,7 奈米+ 的密度是 7 奈米的 1.2 倍,良率方面和量产的 7 奈米相比不分伯仲。根据规划,台积电 7 奈米+ 将在 2019 下半年投入量产。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

7 奈米+ 之后,台积电先推出的并非 6 奈米而是 5 奈米。魏哲家表示,5 奈米的生态系统设计已经完成,并已有客户开始在技术基础上设计产品。5 奈米已风险试产,预计将在 2020 年第一季到第二季量产。5 奈米之后,台积电也规划了 5 奈米+。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

魏哲家解释称,6 奈米(N6)之所以选择在 7 奈米+ 和 5 奈米后推出,是希望藉助 7 奈米+ 和 5 奈米的经验,让 6 奈米 比 7 奈米+ 有更优的密度,且与 7 奈米的 IP 相容,使用 7 奈米+ 製程的 IP 可以继续使用 6 奈米製程,减少製程複杂度的同时降低成本。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

据了解,台积电的规划中 7 奈米将是过渡节点,而 6 奈米将是主要节点,预计会在相当长的时间内扮演重要角色。

产能投资

魏哲家介绍,2018 年台积电的产能是 1,200 万片的 12 吋晶圆,1,100 万片 8 吋晶圆,8 吋晶圆相较 2013 年增长 540 万片,平均每年增加 14.3%。产能持续增长源于不断投入,去年底开工的台积电南京厂(晶圆十六厂,Fab 16)主要是 16 奈米晶圆代工。另外,台积电在台南的 18 厂于去年 1 月动工,主攻 5 奈米製程。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

据悉,台积电的资本支出每年近 100 亿美元,过去 5 年总计投入近 500 亿美元,今年这数值预计超过 100 亿美元。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

不过魏哲家强调,真正重要的不是生产,而是品质。他说:「如果产品品质不够好,就不要让它出去。」因此台积电的目标是「0 excursion,0 defect」(零偏移,零缺陷),希望客户得知这个产品是台积电生产后,就会放心,不会再问第二个问题。

关于台积电成功的另外一个关键因素──信任,魏哲家并没有阐述更多。但信任也非常重要,特别是向新的进程迈进的时候,无论对台积电还是客户而言都将是巨额投入,并有巨大风险,台积电需要客户的信任,只有这样,台积电才能保证巨额的投入可以获得回报,当然,也只有信任,双方才能达成更多长期合作。毕竟台积电提供的是晶圆代工服务,如果无法获得足够晶圆代工订单,经营都将面临困境。

台积电如何保持领先?

从目前的情况看,台积电实现了先进半导体製程的领先,这背后是一个良性的循环。在晶圆代工中,先进的製程投入量产之初成本非常高,只有大量的生产才能快速降低成本,成本和技术的优势可以帮助代工厂获得更高的利润,最终,获得的营收又可以用于推进更先进製程的研究和量产。

以台积电为例,他们每年的资本支出就达到 100 亿甚至高于这一数值,如果无法从先进製程中获得足够的利润,很难支撑更先进製程的研发,毕竟随着半导体製程複杂度的增加,无论是研发还是生产成本都将大幅增长。并且先进製程带来高风险的同时,对营收的贡献也存在滞后性。透过台积电的营收我们可以看到,去年已经有多款 7 奈米处理器量产,但 7 奈米当时贡献的营收很少,到了 2019 Q1,台积电 7 奈米的营收已经高达 22%,也是营收贡献最多的节点。

显然,台积电进入了一个良性循环的过程,并且在晶圆代工市场,领先者将凭藉技术和时间优势将获得最多的利润,即便市占排名第二,营收和市场龙头也有巨大的差距,在这种情况下想要实现超越非常困难。

不过,即便具备优势,台积电依旧保持着对市场和竞争者的敬畏之心。现在,台积电在努力将逻辑的优势向更多领域拓展。在进入 28 奈米之后,想透过晶体管的微缩保持晶片性能的提升已经面临巨大挑战,业界开始探索藉助封装提升性能。台积电率先布局,并推出了 Bumping 服务,根据台积电的说法,现在超过 90% 的 7 奈米客户都选择台积电 Bumping 服务。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

2011 年第三季的法说会上,张忠谋毫无预兆掷出重量级炸弹──台积电要进军封装领域。他们推出的第一个先进封装产品是 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate),具体而言是将逻辑晶片和 DRAM 放在硅中介层(interposer)上,然后封装至基板。

如今,台积电的封装技术主要分为前端 3D(Frontend 3D)的 SoIC 和 WoW 两种集成技术,以及后端 3D(Backend 3D)的 Bump(凸块)/ WLCSP、CoWoS、InFO 三种技术,这些技术都有助于推动系统级创新,面向不同的市场。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

据介绍,CoWoS 主要针对 AI、伺服器和网路,InFO PoP 将主要应用于手机,InFO MS 主要应用于 AI 推理,InFO oS 主要应用于网路。未来,3D 封装将在高性能计算中发挥非常重要的作用,台积电拥有先进封装技术将非常重要。不过,台积电并不準备与封测厂争夺市场,台积电表示他们将聚焦于晶圆层面的封装。

5G 为推动未来半导体行业发展的主要技术,台积电也在进行探索 RF 以及模拟器件的可能性。在 Wi-Fi 和毫米波市场,台积电将製程往 16 奈米 FinFET 推进,另外,台积电还将推出 7 奈米 RF,相关 Spice 和 SDK 也会在 2020 下半年準备就绪。模拟器台积电也有广泛布局。

台积电在手机图像感测器、高灵敏度 MEMS、高阶 OLED、PMIC 方面也有相应技术。储存领域,台积电 40 奈米 RRAM 在 2018 上半年就风险试产,28 奈米、22 奈米的 RRAM 也会在 2019 下半年风险试产。台积电也拥有比 eFlash 快 3 倍写速度的 22 奈米 MRAM,这个製程也在 2018 下半年开始风险试产。

最后需要关注的是,半导体製程提升的两大关键是晶体管结构和材料,关于结构的进展,台积电没有透露新的消息,但材料方面提到了创新 Low-k 材料。为什幺英特尔量产 10 奈米不久后,台积电就能量产全球首个 5 奈米?

小结

台积电引领半导体行业晶圆代工模式,历经 30 多年,台积电成功从落后的追随者变成领先者,也是先进处理器背后的幕后支撑者。不过,在晶圆代工领域取得领先,并处于良性週期的台积电,依旧保持对市场和所有竞争对手的敬畏,不仅在提升半导体製程关键的晶体管结构和材料持续投入,努力保持逻辑优势,也正在将逻辑优势拓展至 5G、模拟等领域。还有,台积电生态超过 10,000 名的工程师也是很难超越的优势。

至于储存,台积电已有布局,但如何在这个领域取得优势,台积电的思考是关注新的储存技术而非已有的技术,这也许是台积电成功的重要因素之一。当然,新技术也是台积电最有可能进行收购的动力。

还有一点,对未来製程技术的提升,技术或许不是最难,最大的挑战或许来自成本考量。

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