IC工艺制程争夺激烈 下一个爆发点值得期待

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全球半导体业己进入逻辑工艺16/14纳米制程及NAND闪存的1z纳米的量产，其中英特尔、三星、台积电及东芝、美光等多家正同台亮相，未来在“定律”的驱使下进入10纳米制程，争夺非常激烈，各家都认为可以领先对手。

先进制程争夺激烈

据报道，台积电在2015 Q3宣布16纳米量产后，它首先声称2016年内量产10纳米。而当三星声称可在2016 Q4量产时，台积电马上又称进程可能提前。相比之下英特尔总显得步伐似乎慢了一点，它声称10纳米要到2017年才能量产。

实际上其中含有各家的舆论宣传技巧，因为至此产业界对于特征尺寸的定义并非有统一标准，也即三家说的所谓10纳米，未必是同样的东西。

近期权威机构Chipworks作了客观比较，它认为英特尔14纳米的栅极间距为70纳米，内部互联最小间距为52纳米，这两项指标分别比22纳米时缩小了22％、35％。

相比之下，台积电16纳米、三星/GF 14纳米的栅极间距分别是90纳米、78纳米，前者只相当于英特尔22纳米的水平，后者也略弱一些，而内部互联最小间距则都是64纳米，相比于英特尔大了23％。

所以全球半导体工艺制程尺寸的历程，英特尔肯定是走在前列，至今对于业界具有深远意义的两次大的技术革新，如45纳米时的HKMG及2011年的22纳米finFET工艺都出自英特尔。它于2013年首先进入14纳米制程，然而之前的工艺节点从所谓的工艺“推出”到真正量产的时间约需4个季度，但是此次英特尔的14纳米量产又延伸了两个季度。

用线宽衡量水平已不再适用

在逻辑电路中，之前是用栅极的线宽来衡量每一代的水平，如今己不再适用。理论上，每一代之间本着0.7的比例进行缩小，然而从22纳米以下开始，制程尺寸的转换可能己是0.8或是0.75，或者说己是每两年半左右前进一代，制程前进的速度开始放缓。

另外，由于英特尔是IDM，生产自己的处理器芯片，它的各类处理器的档次差异很大，如它的顶级至强服务器芯片性能非常强大。而三星，台积电是代工，帮助fabless制造产品，包括如苹果、高通、Xilinx，AMD等。首先它们做的不是同挡次的产品，而量产时的成品率也有差别，有的可能是90%，而有的仅70%，产能也有很大的差异。所以从严格意义上三者缺乏可比性，谁领先，谁落后，只能供参考而己。

从代工业界角度，关键看客户的动向，它们的感受可能更为真实。因此苹果、高通的订单成为风向标。近期苹果的订单在担心鸡蛋放在同一篮子里有风险，另一方面也需考虑性价比的因素。

近期高通的部分高端产品的订单由台积电转向三星，引起台积电的很大反响。一个方面是16纳米与14纳米的差异，另一方面可能与三星执行有吸引力的代工价格，包括它首先宣布10纳米成功量产有关。

另外，在半导体存储器领域中，现阶段它的特征尺寸定义与逻辑工艺不一样，DRAM与NAND又不同，它不可能是按照0.7的比例缩小。所以，现况是DRAM的制程小于20纳米，而NAND Flash的工艺制程尺寸己达1z纳米（相当于15~12纳米），几乎己是终点。业界更关注的是闪存芯片的单位面积成本，晶体管密度，以及功耗、速度等。因此在未来存储器中它们会采用1x纳米，1y纳米及1z纳米，分别为19~17纳米、16~15纳米及12~14纳米。

工艺制程的进步不可能正好都是每两年前进一代，其中，有的制程困难，有的容易，如从28纳米很快跳过20纳米直接达14纳米，以及如今的16/14纳米可能很快的掠过10纳米，就马上进入7纳米时代。

对未来前景充满信心

尽管全球半导体业的增长率趋缓，近期周期性的规律也难以捉摸。但是产业界对未来的前景仍充满信心，因为电子终端产品的市场持续向好。

据IC Insight的最新预测，半导体芯片出货量自1978年的326亿颗增长到2018年的1.022万亿颗，过去40年平均年成长幅度达9%，显见全球对于半导体芯片的依赖程度与日俱增。

可以明显的感觉到，近期台积电在宣传方面花了许多心血，可能与它连续五个季度销售额下跌相关，但毫无疑问它是一家伟大及成功的公司。近期台积电的联席执行官Mark Liu讲，它的7纳米在128Mb SRAM中己有30%的成品率。它的7纳米工艺与10纳米相比可提高速度15%~20%，或降低35%~40%功耗及可提高1.63倍逻辑晶体管密度。估计从现在起用约1年时间进行风险生产之后，可以推向市场。表明台积电不依赖于EUV光刻，在7纳米的进程己有着落。

台积电的强项还表现在它拥有自已的后封装工艺，这是英特尔等无法相比的。它在2016年2月用它的Cowos工艺，能把16纳米FF工艺的CPU及两个HBM2存储器堆迭在硅转接板（interposer）上，为未来7纳米技术铺平道路。

台积电传出来的好消息是在7纳米时它可以用10纳米工艺的90%同样的设备，包括现有的193纳米光刻机。坏消息是它要采用4次图形曝光技术（SAQP），有些最小的工艺尺寸只有4纳米及间距小于30纳米。

传闻苹果的IPone7中将采用它的InFO 10纳米A系列处理器。Mark Liu认为它的10纳米InFO工艺今年6月能够量产。15×15纳米封装中能装有三个芯片，每个采用10微米的再分布（redistribution layer）层。

台积电有十二个12英寸fab，其中大部分fab又可分成几个phases，每个都能独立运行，再加一个6英寸，6个8英寸及2个关连的8英寸fab。

台积电的2016年产能可以增加10%，大部分用于16纳米，在2016底可能累计产出达120万片，那是其它对手无法可及的。

2015年底台积电的安装总产能达到880万片，12英寸等值计，它共有470个客户的8900个产品，包括全球90%的GPU及70%的基带芯片。

英特尔、三星及台积电三家之中谁的制程先进，可能不必花太多的时间去讨论，它们几乎处于同一个级别。因为现在的“赛道”一样，都是finFET工艺，使用的设备也几乎相同。相对而言英特尔起步早，每年投入的研发费用最大，它己是第二代finFET工艺。但是三星与台积电都是后来的“奋进者”，总有一股争上的气势，实力不可小视。

未来工艺制程缩小能到5纳米，或是3纳米？定律是继续或者己死等话题业界的兴趣己不太多。目前还剩下EUV光刻在7纳米时能否插入成为关键，据报道好像还有可能。不管如何关键在于工艺制程缩小的动力，它每前进一个节点的综合成本优势，因此未来经济的因素肯定会比技术因素更为重要。

过去50多年半导体产业的稳定进步十分美妙，当面临定律将失效时，未来的前景似乎显得有些黯淡。但我们认为摩尔定律即将失效不意味着科技进步的停顿，而意味着变化本身的性质发生改变。可能再也没有一个如“定律”那样来引领产业进步的号角，这种确定性正在逐渐的消失，它迫使人们追寻新的思路和技术。下一个爆发性的变化可能会发生在某个地方，尽管未来仍面临有很多的挑战，但是一定会更加丰富多彩。

2015年美国国家技术和创新奖获得者，美籍华人科学家胡正明说：半导体产业100年后都会继续，原因很简单，第一，世界还需要更多智慧器件和智慧技术，云端、大数据和机器人都才刚刚开始。第二，看不到其它技术能够在未来50年可以取代半导体来达成这个任务。