用台积电的方式打败台积电
来源:芯师爷发布时间:2023-08-141887浏览
询问 AI
半导体作为人类科技进步的技术核心，过去一直按摩尔定律前进。这期间因为智能手机芯片小型低功耗的特殊要求，又显著放大了制程微型化的作用。
台积电就沿着晶体管缩小这条路径屡试不爽，始终保持着行业领先。从180nm到3nm，台积电用20年时间熬走了99%的竞争对手。尤其28nm后，在FinFET技术上逐步甩开竞争对手，14nm以下基本处于市场垄断地位。
但是，即便熬走了对手台积电还要面对一个更棘手的问题：摩尔定律的衰减，使得晶体管微型化变得越来越困难。
硅基半导体的技术演进，每18 -24个月晶体管的数量翻倍带来芯片性能提升一倍，或成本下降一半。十多年来，CPU和GPU的性能每两年多稳步提高一倍，而晶体管密度每三年翻一番，能源效率用了近四年的时间才达到这一目标，摩尔定律仍在前进但在明显放缓。
而且，终端市场需求逐渐从智能手机转向人工智能，这种转变又带来了一个看似相悖的现象：需求集中在云端的高算力AI芯片，一边要求使用先进制程，一边又要求成本平衡。
这种情况下，全周围栅极（GAA）的出现，从技术层面为制程突破提供了可行解决方案，但伴随着制程复杂性的增加和制造成本的剧增。而芯片制造商要在推进技术创新的同时考虑成本和可行性，于是先进封装就成了代工厂的另一把尖刀。
恰好，这两条路径被台积电为数不多的对手三星和英特尔拿捏了。
在3nm节点，三星选择GAA以期实现追赶跨越式发展，台积电则坚守FinFET；英特尔则计划在2nm节点赶上台积电，且希望在先进封装技术上大力投入建立优势。
那么问题来了，用台积电的方式打败台积电，可行吗？
1
从3nm开始超车
在半导体制程技术中，2nm确实被视为可能的物理极限。因为当晶体管的尺寸缩小到这个程度时，量子效应开始变得显著，可能会导致电子的行为变得不可预测。
这种现象被称为量子隧道效应，它可能会导致电子“跳跃”到它们不应该去的地方，从而导致芯片的性能下降。
全周围栅极（GAA）晶体管是一种新型的晶体管设计，它可以在更小的制程下提供更好的性能。
在GAA晶体管中，栅极材料包围了晶体管的源和漏，从而提供了更好的电流控制。这可以帮助减少量子隧道效应，从而使得在2nm甚至更小的制程下的芯片制造成为可能。
而从规划来看，台积电、三星和英特尔不约而同的搞起了制程竞速赛，虽然大的时间节点都是2022-2023年进入3nm、2025年进入2nm商业化阶段。但细微处仍有不同：
在关键的3nm节点上，三星罕见的率先量产，并且还是用更先进的GAA技术。台积电虽然随后也宣布了3nm量产，不过仍是沿用FinFET技术。
台积电总裁魏哲家的理由是，“选择沿用FinFET，是经过考虑良久，制程技术推出不是（为了）好看，是要实用，要协助客户让产品持续推进。”
当然这是略显敷衍的官方辞令，真正的原因恐怕是即便三星率先量产3nm，但因为在5nm节点能耗翻车，导致没几家客户敢吃3nm的螃蟹，只有用量相对较小的矿机芯片买家。
三星最近几年的晶圆制造处于追赶阶段，需要在3nm时代寻找技术架构差异化，拉近与台积电芯片代工方面的技术差距，用更激进的策略来获取客户。
这就给了台积电以静制动的时间差。
台积电被广泛认为是一个保守但稳定的制程技术开发者，他们倾向于确保新技术的成熟和可靠性，然后再进行部署，而不是急于将新技术推向市场。这种方法可以降低技术失败的风险，提高其芯片的产量和质量，从而确保客户的满意度。
例如，三星在2018年开始在其7nm工艺中使用EUV，然而台积电选择等待。直到EUV工具的稳定性和成熟性得到确认，以及相关问题得到解决或至少得到确定，才在2019年的N7+工艺中开始使用EUV。
这种谨慎的方法有助于台积电确保其制程技术的稳定性和可预测性，从而提供高质量的芯片给其客户。
不过从时间节点上看，3nm还未能给台积电带来纸面上的收益。在最新财报里，台积电来自先进制程的收入贡献合计达53%，其中5nm的收入占比为30%，7nm为23%。
而来自券商的消息是，台积电3nm已获得全球最大客户A的订单，从2023年下半年贡献收益。明眼人一看就知道客户A是苹果，今年6月就有消息传出台积电2023年近90%的3nm产能被苹果占据。
但坏消息是，传言苹果要求台积电承担未合格芯片成本。这种情况在半导体行业非常罕见，台积电3nm初期良率大约在70%左右，苹果如果和台积电达成这样的协议，可以节省数十亿美元，但也意味着台积电的成本压力骤增。
2
降低制造成本
虽然大客户没有尝鲜三星的3nm，但也没用台积电。核心问题就在于，3nm的性价比实在没到一定水准。
市场研究机构International Business Strategies（IBS）披露过一组数据，3nm芯片的设计费用约达5-15亿美元，兴建一条3nm产线的成本约为150-200亿美元。
这笔费用传导到代工的报价上就是：3nm工艺12英寸晶圆的报价高达3万美元，几乎是5nm工艺的一倍，7nm的三倍多。
为实现高性能计算，调整每个矢量变得越来越困难，芯片设计更加复杂，先进制程的投资额大幅提升，由此带来生产成本的抬升，以及因大尺寸芯片带来的良率问题。
在各个方面综合起来发现经济性远不如前，于是台积电、英特尔、三星等就从其他技术线路突破性能瓶颈，由此chiplet、3D先进封装等新兴方向正受到越来越高的重视。
由于单颗芯片面积越大，良率越低，相应成本越高。Chiplet也称“小芯片”或“芯粒”，它是一种功能电路块，包括可重复使用的IP块（芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计，也可以理解为芯片设计的中间构件）。
该技术是将一个功能丰富且面积较大的芯片裸片（die）拆分成多个芯粒（chiplet），这些预先生产好的、能实现特定功能的芯粒组合在一起，通过先进封装的形式（比如3D封装）被集成封装在一起即可组成一个系统芯片。
模块化设计思路可以提高芯片研发速度，降低研发成本。通过把大芯片分割成芯粒，可有效改善生产的良率，降低制造成本。
The Linley Group在《Chiplets Gain Rapid Adoption: Why Big Chips Are Getting Small》中提出，Chiplet技术可以将大型7nm设计的成本降低高达25%；在5nm及以下的情况下，节省的成本更大。
而上文提到的3D封装，则是代工厂们探究节省制造成本的另一种体现。
2020年，台积电将2.5D和3D封装产品整合并入一个全面的品牌3DFabric，由SoIC(系统整合芯片)、InFO(整合型扇出封装技术)、CoWoS(基板上芯片封装)所组成。
其中，InFO技术的典型产品就是iPhone 7搭载的A10芯片，而CoWoS技术则是苹果去年发布的M1 Ultra和今年发布的M2 Ultra。
具体来说，在封装这一环节，台积电将三种技术分成前、后两个阶段：
前端封装(Front-end 3D)：SoIC技术是在晶圆上，将同质或异构小晶片都整合到一个类似SoC的晶片中，该晶片有更小的面积和更薄的外形。在外观上，新晶片就像普通的SoC一样，但嵌入了所需的异质整合功能。这种前端封装技术，是在设计阶段就要考量并协同设计。
由于本质就是在做一颗SoC晶片，因此只有晶圆厂可以做，且必须搭配后端封测技术不可单独存在。
后端封装(Back-end 3D)：前端封装完成的SoIC晶片，必须搭配原有的立体封装技术，比如台积电的CoWoS和InFO。
而相关后端封装技术也是其他封测厂商积极跨入的领域，未必是晶圆厂独家生意。
英特尔的路数也大致相似，其先进封装技术IDM 2.0陆续推出2.5D封装的嵌入式多芯片互连桥接（Embedded Multi-die Interconnect Bridge, EMIB）技术、3D堆叠的Foveros技术，以及整合2.5D与3D封装的共嵌入式多芯片互连桥接Co-EMIB技术。
其中，Foveros封装技术利用3D堆叠整合不同的逻辑芯片，为IC设计公司提供了很大的灵活性，允许其将不同技术的IP区块与各种记忆体和I/O元件混合和搭配。
英特尔认为3D封装能延续摩尔定律，给予设计人员横跨散热、功耗、高速信号传递和互连密度的选项，最大化和最佳化产品效能。
也因此诞生了英特尔和台积电关于先进封装的投资大战：
英特尔在2.5D/3D封装领域的资本支出近两边分别达35亿/47亿美元，主要投入Foveros及EMIB等先进封装技术研发及产能扩建；
台积电在2.5D/3D封装方面已推出CoWoS及InFO等技术并进入量产，近两年资本支出达30亿/40亿美元，位居全球第二，将扩大系统整合芯片（SoIC）中多种3D Fabric平台先进封装技术推进及产能建置。
3
尾声
2017之前的十年，智能手机要求性能更高、面积更小、功耗更低的芯片。2017年以后HPC占比明显提升，云计算尤其是AI技术发展驱动服务器等高性能计算需求，由此诞生的一个历史转折就是：终端市场需求从智能手机转向人工智能。
但转折还未显著，体现在财报里就是台积电来自AI芯片的提振并没有多少。不过至少从目前看，台积电已经获得了先发优势，英伟达、AMD等厂商已经首选台积电合作。
甚至AMD CEO苏姿丰在媒体采访时，被问及是否将在3nm采用三星代工的产品时，直接来了一波反问：“你相信韩国媒体吗?”
最后，落到我们自身层面，因为众所周知的原因，我们只能在成熟制程市场寻求跳板。无论是3/2nm下的晶体管技术，还是先进封装，我们都缺少一个推动国产替代进步的车轮，理论上海思可以扮演这一角色，但眼下可能要多等些时间了。
参考资料
[1]先进封装，台积电的另一把尖刀，远川研究所
[2] 台积电：寒气已经传递给我了，远川研究所
[3] 台积电Q2启示：AI增长无法弥补传统需求衰退，华泰证券
[4] 半导体行业专题研究：台积电，晶圆代工霸主从攻擂到守擂，弘则研究
[5] 3nm良率提至60%以上 三星芯片业务迎“逆风翻盘”？经济观察报
[6] 集成电路行业专题：先进制程贴近极限，Chiplet迎来黄金发展期，未来智库
[7] 台积电试产SoIC，3D封装走向量产？贤集网
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