為什麼英特爾量產 10 奈米不久後,台積電就能量產全球首個 5 奈米?

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 21 日 16:55 | 分類 晶圓 , 晶片 , 零組件 follow us in feedly

過去幾十年,摩爾定律讓處理器性能快速提升,隨著摩爾定律放緩,性能和需求之間的矛盾日益明顯。一方面是智慧手機、HPC、AI 對處理器性能不斷增加的需求,另一方面則是半導體製程提升難度大增與高昂成本。不過,先進半導體製程依舊是提升處理器性能最直接的辦法,因此先進製程更受業界關注。

英特爾 10 奈米製程一再延期時,台積電就已量產 7 奈米。當英特爾 10 奈米製程 2019 年量產不久,台積電就在 2020 上半年量產 5 奈米製程,曾經落後的台積電為何能取得今天的成就?

本週,台積電在上海舉辦一年一度 2019 中國技術論壇,技術論壇演講時,台積電全球總裁魏哲家表示,目前市面 7 奈米產品全都出自台積電。他同時透露,台積電 5 奈米技術已有客戶在此技術基礎上設計產品,2020 年第一到第二季將量產。

從落後到反超的兩個技術節點

首先需要確定,台積電能取得今天的成績並非一朝一夕,且今天的優勢並不代表未來的成功。這家目前全球最大的晶圓代工企業成立於 1987 年,台積電成立之時,半導體巨頭都是 IDM 模式,也就是一家公司要完成從設計到製造再到封測的全部工作。那時,無晶圓晶片公司設計完晶片之後,想請有晶圓廠的巨頭幫忙代工晶片並不容易。

台積電創始人張忠謀從美國回到台灣,抓住機會成立台積電,專門從事晶圓代工,也就是人們常說的晶片代工。台積電這種商業創新如今看來深刻影響了半導體產業的發展,但在台積電成立之初,半導體行業處於低迷期,晶片製造技術遠遠落後於英特爾等晶片巨頭,因此只能靠少量訂單艱難生存。

但偉大的企業家總能帶領公司解決挑戰,在張忠謀的領導下,憑藉英特爾認證的背書,加上半導體市場轉暖,台積電營收迎來快速增長。1995 年營收超過 10 億美元,1997 年達成 13 億美元營收,5.35 億美元的巨額盈利讓台積電當時就成了最賺錢的台灣企業。

不過,台積電逐步取得技術領先是在成立 20 年後。1999 年,台積電領先業界推出可量產的 0.18 微米銅製程製造服務。2001 年,台積電推出業界第一套參考設計流程,協助開發 0.25 微米及 0.18 微米的客戶降低設計難度,以達成快速量產目標。

2005 年,台積電又領先業界成功試產 65 奈米晶片。此時,隨著晶體管體積進一步縮小,難度增加讓成本大漲,眾多晶片巨頭都停止投入先進晶圓廠,這給專門提供晶圓代工服務的台積電帶來機會。

進一步擴大台積電實力的技術節點是 28 奈米。進入 28 奈米製程時,有個關鍵的技術選擇──先閘極(Gate-first)與後閘極(Gate-last),格芯和三星都選擇先閘極技術,台積電透過認真研究兩種技術,堅定選擇後閘極技術,結果台積電 2011 年一舉成功量產,三星與格芯的生產良品率卻始終無法提升。

為鞏固優勢,台積電針對智慧手機晶片設計的主流製程一連推出 4 個版本,每年新推出的製程不但較前一代速度提高、晶片尺寸微縮 4%,還省電 30%。藉此,台積電在 28 奈米節點就建立了很高的壁壘。

台積電成功的 3 個關鍵

魏哲家表示,台積電成功最主要靠 3 個支撐點:技術、生產和信任。

▲ 台積電全球總裁魏哲家。

技術路線

根據台積電的說法,台積電 7 奈米獲得 60 個 NTO(New Tape Out,新產品流片),2019 年將突破 100 個。7 奈米之後,台積電推出了 7 奈米+ 製程,台積電首個使 EUV 光刻技術的節點,7 奈米+ 的密度是 7 奈米的 1.2 倍,良率方面和量產的 7 奈米相比不分伯仲。根據規劃,台積電 7 奈米+ 將在 2019 下半年投入量產。

7 奈米+ 之後,台積電先推出的並非 6 奈米而是 5 奈米。魏哲家表示,5 奈米的生態系統設計已經完成,並已有客戶開始在技術基礎上設計產品。5 奈米已風險試產,預計將在 2020 年第一季到第二季量產。5 奈米之後,台積電也規劃了 5 奈米+。

魏哲家解釋稱,6 奈米(N6)之所以選擇在 7 奈米+ 和 5 奈米後推出,是希望藉助 7 奈米+ 和 5 奈米的經驗,讓 6 奈米 比 7 奈米+ 有更優的密度,且與 7 奈米的 IP 相容,使用 7 奈米+ 製程的 IP 可以繼續使用 6 奈米製程,減少製程複雜度的同時降低成本。

據了解,台積電的規劃中 7 奈米將是過渡節點,而 6 奈米將是主要節點,預計會在相當長的時間內扮演重要角色。

產能投資

魏哲家介紹,2018 年台積電的產能是 1,200 萬片的 12 吋晶圓,1,100 萬片 8 吋晶圓,8 吋晶圓相較 2013 年增長 540 萬片,平均每年增加 14.3%。產能持續增長源於不斷投入,去年底開工的台積電南京廠(晶圓十六廠,Fab 16)主要是 16 奈米晶圓代工。另外,台積電在台南的 18 廠於去年 1 月動工,主攻 5 奈米製程。

據悉,台積電的資本支出每年近 100 億美元,過去 5 年總計投入近 500 億美元,今年這數值預計超過 100 億美元。

不過魏哲家強調,真正重要的不是生產,而是品質。他說:「如果產品品質不夠好,就不要讓它出去。」因此台積電的目標是「0 excursion,0 defect」(零偏移,零缺陷),希望客戶得知這個產品是台積電生產後,就會放心,不會再問第二個問題。

關於台積電成功的另外一個關鍵因素──信任,魏哲家並沒有闡述更多。但信任也非常重要,特別是向新的進程邁進的時候,無論對台積電還是客戶而言都將是巨額投入,並有巨大風險,台積電需要客戶的信任,只有這樣,台積電才能保證巨額的投入可以獲得回報,當然,也只有信任,雙方才能達成更多長期合作。畢竟台積電提供的是晶圓代工服務,如果無法獲得足夠晶圓代工訂單,經營都將面臨困境。

台積電如何保持領先?

從目前的情況看,台積電實現了先進半導體製程的領先,這背後是一個良性的循環。在晶圓代工中,先進的製程投入量產之初成本非常高,只有大量的生產才能快速降低成本,成本和技術的優勢可以幫助代工廠獲得更高的利潤,最終,獲得的營收又可以用於推進更先進製程的研究和量產。

以台積電為例,他們每年的資本支出就達到 100 億甚至高於這一數值,如果無法從先進製程中獲得足夠的利潤,很難支撐更先進製程的研發,畢竟隨著半導體製程複雜度的增加,無論是研發還是生產成本都將大幅增長。並且先進製程帶來高風險的同時,對營收的貢獻也存在滯後性。透過台積電的營收我們可以看到,去年已經有多款 7 奈米處理器量產,但 7 奈米當時貢獻的營收很少,到了 2019 Q1,台積電 7 奈米的營收已經高達 22%,也是營收貢獻最多的節點。

顯然,台積電進入了一個良性循環的過程,並且在晶圓代工市場,領先者將憑藉技術和時間優勢將獲得最多的利潤,即便市占排名第二,營收和市場龍頭也有巨大的差距,在這種情況下想要實現超越非常困難。

不過,即便具備優勢,台積電依舊保持著對市場和競爭者的敬畏之心。現在,台積電在努力將邏輯的優勢向更多領域拓展。在進入 28 奈米之後,想透過晶體管的微縮保持晶片性能的提升已經面臨巨大挑戰,業界開始探索藉助封裝提升性能。台積電率先布局,並推出了 Bumping 服務,根據台積電的說法,現在超過 90% 的 7 奈米客戶都選擇台積電 Bumping 服務。

2011 年第三季的法說會上,張忠謀毫無預兆擲出重量級炸彈──台積電要進軍封裝領域。他們推出的第一個先進封裝產品是 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate),具體而言是將邏輯晶片和 DRAM 放在矽中介層(interposer)上,然後封裝至基板。

如今,台積電的封裝技術主要分為前端 3D(Frontend 3D)的 SoIC 和 WoW 兩種集成技術,以及後端 3D(Backend 3D)的 Bump(凸塊)/ WLCSP、CoWoS、InFO 三種技術,這些技術都有助於推動系統級創新,面向不同的市場。

據介紹,CoWoS 主要針對 AI、伺服器和網路,InFO PoP 將主要應用於手機,InFO MS 主要應用於 AI 推理,InFO oS 主要應用於網路。未來,3D 封裝將在高性能計算中發揮非常重要的作用,台積電擁有先進封裝技術將非常重要。不過,台積電並不準備與封測廠爭奪市場,台積電表示他們將聚焦於晶圓層面的封裝。

5G 為推動未來半導體行業發展的主要技術,台積電也在進行探索 RF 以及模擬器件的可能性。在 Wi-Fi 和毫米波市場,台積電將製程往 16 奈米 FinFET 推進,另外,台積電還將推出 7 奈米 RF,相關 Spice 和 SDK 也會在 2020 下半年準備就緒。模擬器台積電也有廣泛布局。

台積電在手機圖像感測器、高靈敏度 MEMS、高階 OLED、PMIC 方面也有相應技術。儲存領域,台積電 40 奈米 RRAM 在 2018 上半年就風險試產,28 奈米、22 奈米的 RRAM 也會在 2019 下半年風險試產。台積電也擁有比 eFlash 快 3 倍寫速度的 22 奈米 MRAM,這個製程也在 2018 下半年開始風險試產。

最後需要關注的是,半導體製程提升的兩大關鍵是晶體管結構和材料,關於結構的進展,台積電沒有透露新的消息,但材料方面提到了創新 Low-k 材料。

小結

台積電引領半導體行業晶圓代工模式,歷經 30 多年,台積電成功從落後的追隨者變成領先者,也是先進處理器背後的幕後支撐者。不過,在晶圓代工領域取得領先,並處於良性週期的台積電,依舊保持對市場和所有競爭對手的敬畏,不僅在提升半導體製程關鍵的晶體管結構和材料持續投入,努力保持邏輯優勢,也正在將邏輯優勢拓展至 5G、模擬等領域。還有,台積電生態超過 10,000 名的工程師也是很難超越的優勢。

至於儲存,台積電已有布局,但如何在這個領域取得優勢,台積電的思考是關注新的儲存技術而非已有的技術,這也許是台積電成功的重要因素之一。當然,新技術也是台積電最有可能進行收購的動力。

還有一點,對未來製程技術的提升,技術或許不是最難,最大的挑戰或許來自成本考量。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:科技新報)

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