全球代工大厂的制程工艺之路及其“摩尔定律”之外的突破

谁说摩尔定律已死？10nm、7nm、7nm+，以及今年四月台积电开始大规模量产5nm等， 3nm、2nm也在持续研究中，先进制程发展到目前阶段，几大主要晶圆厂商，如台积电、三星和英特尔之间的先进制程之战仍是愈演愈烈......据悉，三星已经完成了首个3nm制程的开发，计划2022年规模生产3nm芯片，此前台积电也计划2022年量产3nm。如无意外，3nm芯片将在2022年到来，摩尔定律仍在延续？

台积电董事长刘德音于“SEMICON Taiwan 2019”会中指出，2020年将是5纳米极速扩张的一年，而3纳米、2纳米的进度也令人振奋；他更强调：“至今，摩尔定律 (Moore`s law) 仍然活得好好的！”

全球六大IC晶圆厂制程演进情况

由于资金、技术壁垒不断提高，十多年来不仅没有出现新的竞争玩家，而且越来越多的参与者从先进制程中“出局”。从芯片制造厂商角度来看，目前，28nm及更先进制程的玩家也只有6家了，它们分别是纯晶圆代工厂台积电、格芯、联电和中芯国际，以及IDM大厂三星和英特尔。但是，2018年，格芯宣布放弃7nm研发，联电宣布放弃 12nm 以下（即7nm及以下）的先进制程投资。因此先进制程的玩家仅剩行业龙头台积电、三星、英特尔等，以及处于技术追赶中的中芯国际。

先进制程向龙头集中

对于他们而言，谁的制程最先进、良率最高、成本最低，谁就能拿下最多的订单。即使追寻先进制程的成本非常高，但他们的脚步也无法停止。

前十大晶圆代工公司对比

大厂们的制程工艺演进之路

下面针对几大晶圆制造大厂的制程工艺演进情况简单做下梳理：

台积电

从下面演进图来看，台积电1987年成立时，他们的芯片工艺是3微米，随后逐步提升，在1990年提升到了1微米；2001年的时候提升到了0.13微米，也就是130纳米；2004年开始采用90纳米工艺；随后是65纳米、45纳米、40纳米、28纳米、20纳米，2015年提升到了16纳米；2016年升至10纳米；2017年是7nm；5nm也已在去年风险生产。据外媒报道，台积电将在今年4月开始大规模量产。

台积电芯片工艺演进图

目前台积电的10nm工艺客户已经超过10家，7nm EUV客户至少5家（苹果、海思、高通、三星、 AMD），6nm客户除了7nm EUV的5家还多了博通、联发科。

截至2019年底，公司拥有五座12寸晶圆厂（Fab 12，14，15，16，18）、七座8寸晶圆厂、一座6寸晶圆厂（Fab2）。整体月产能约100万片，近十年产能利用率高达 95%。不论是产能还是营收规模，都占据了全球晶圆代工行业的半壁江山。

根据台积电的规划，7nm工艺在2020年营收占比将提升到30%，由于5nm 5万片/月产能被预定，台积电将5nm产能上调至7-8万片/月。此外，3nm产能将于2020年开工，2021年完成设备安装，预计2022年底到2023年初量产，2nm工艺研发也已启动。

三星

三星于2005年成立了晶圆代工业务部门，并于2017年开始将其独立出来经营。

2016年初，三星第二代14nm FinFET开始量产；2016年10月，该公司第一代10nm FinFET LPE制程大批量生产；2017年4月，第二代10nm FinFET工艺技术10LPP通过认证；2017年10月，8nm FinFET工艺技术8LPP通过认证；2017年11月，第二代10nm FinFET工艺技术量产；2019年，7nm+制程实现量产。

2019年三星抢先宣布了3nm工艺，明确会放弃FinFET晶体管，转向GAA环绕栅极晶体管技术，最快会在2021年量产。在去年的日本SFF会议上，三星还公布了3nm工艺的具体指标，与现在的7nm工艺相比，3nm工艺可将核心面积减少45%，功耗降低50%，性能提升35%。

三星从2005年开始进入12英寸晶圆代工领域，目前，该公司的晶圆代工专属线有4条，包括3条12英寸和一条8英寸线。12英寸晶圆代工线分布在韩国和美国，主要针对高端工艺，包括65nm、45nm、32nm /28nm HKMG、14nm FinFET工艺，客户包括苹果、高通、AMD、XILINX、NVIDIA等。8英寸晶圆代工线于2016年开放，从180nm到65nm制程节点都已经涵盖，工艺技术包括嵌入式闪存(eFlash)、功率器件、CMOS图像传感器CIS，以及高压制程的生产。

格芯

格芯半导体（Global Foundries）由AMD的制造业务部门在2009年3月分拆成立，2010年收购了新加坡特许半导体（Chartered），2015年7月完成收购IBM的半导体业务部门。

格芯的FinFET工艺原本师承IBM，2012年宣布推出自研的14XM（eXtreme Mobility）技术，进军移动通讯市场，计划在2014年量产；由于技术指标问题，格芯放弃14XM，2014年转而从三星获得14纳米授权，在2015年第一季度14纳米初级版14LPE成功通过了批量生产；三季度性能增强版本（14LPP）获得认证，2016年量产；2017年推出为IBM Z服务器用处理器芯片定制的14HP技术。2018年已经由14LPP顺利过渡至12LP。目前12LP/LP+工艺由位于纽约的最先进晶圆厂FAB8负责制造。

2018年8月，格芯宣布放弃7纳米FinFET项目。2019年8月，格芯就采用12nmFinFET工艺，成功流片了基于ARM架构的高性能3D封装芯片。

联电

联电成立于1980年，1995年转型晶圆代工，2000年产出业界首批铜制程芯片。

2001年开始采用12英寸晶圆；2003年开始试产90nm芯片，并于2004年通过验证并实现量产；2005年，该公司推出了65nm芯片；2006年产出第一片45nm芯片；2008年，推出业界第一个代工的28nm制程SRAM芯片；2009年出产了40nm芯片；2011年，开始试产28nm芯片，并于2014年量产；2017年，量产14nm芯片。

2018年停止12nm以下先进工艺的研发。

中芯国际

中芯国际成立于2000年4月，2001年在上海投产首条8英寸厂生产线，2004年在北京投产首条12英寸生产线，并于2005年实现90nm试产；2010年实现65nm量产；2012年，55nm量产，且40nm验证成功，2013年，40nm量产；2015年第二季度，开始量产28nm。2016年完成28纳米HKMG制程，并成功流片。

中芯国际从28nm直接转入14nm，2017年5月宣布14纳米研发获得突破。2018年第4季度，第一代14纳米FinFET技术进入客户验证阶段，同时12纳米的工艺开发也取得突破；2019年第1季度，12纳米工艺开发进入客户导入阶段，第二代FinFET研发进展顺利；2019年第2季度，第一代14纳米FinFET进入客户风险量产，第二代FinFET N+1技术平台已开始进入客户导入；2019年第3季度，第一代14纳米FinFET已成功量产；第二代FinFET N+1客户导入进展顺利，有望在2020年小规模生产，预计上半年开始贡献收入。

至于中芯N+1工艺具体是多少，该工艺节点据业界猜测可能是7nm左右，但中芯至今未披露第二代的FinFET技术是否定义在7nm，也有可能是8nm。因为就功率和稳定性而言，可以将其称为7nm，而在性能方面确实要比7nm差。

目前中芯国际在北京、上海、天津 、深圳运营多座先进的晶圆制造生产线。

英特尔

从1971年，采用10微米（μm）制程工艺生产出全球首个微处理器4004，一直到2014年第三代酷睿处理器实现14纳米FinFET工艺量产，英特尔的半导体制程工艺发展之路可谓领业界风骚。

英特尔2011年自2011年开始量产第一代22纳米FinFET工艺，首个产品是代号Ivy Bridge的处理器；2014年量产第二代14纳米FinFET工艺，首个产品是代号Broadwell的处理器。

英特尔在2013年的工艺技术规划中，表示2016年将推出10纳米。可由于各种原因，10纳米的研发不用预期。于是14纳米工艺在2014年推出后被不断改进，2016年量产14+，2017年量产14++，以弥补10纳米延迟的缺憾。

2019年英特尔在投资者会议（Investor Meeting）上展示了技术创新路线（Relentless Innovation Continues），为10纳米规划了10+和10++；并表示2021年才会推出7纳米，也明确表示采用EUV方案。7nm工艺相比10nm工艺晶体管密度翻倍，每瓦性能提升20%，设计复杂度降低了4倍。

7nm芯片将在2021首发，2022年将提供完整的产品组合。

Intel旗下的晶圆厂非常多，该公司70%的处理器及芯片组晶圆都产自美国的晶圆厂，包括亚利桑那州、俄勒冈州、新墨西哥州、马萨诸州，其中马萨诸州是英特尔目前唯一、也是最后一座8英寸晶圆厂了。该公司的14nm制程工艺主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产。美国本土以外的14nm晶圆厂主要是爱尔兰的Fab 24，还在升级14nm工艺中。

Intel在中国大连、成都还有两座晶圆厂，但制程工艺还是以90nm和65nm为主。

摩尔定律之外的竞争

虽然目前几大厂商的先进工艺制程之战愈演愈，但是已经与75%的晶圆厂市场客户无关了，摩尔定律明显已经放缓。但不妨碍为了弥补硅工艺技术增长放缓，寻求摩尔定律之外的突破，尤其是台积电与三星可谓是“内外”并驾齐驱。

台积电

在2018年4月第二十四届年度技术研讨会上，台积电首度对外界公布创新的系统整合单芯片(SoIC)多芯片3D堆叠技术。SoIC是基于台积电的CoWoS(Chip on wafer on Substrate)与多晶圆堆叠(WoW)封装技术开发的新一代创新封装技术，未来将应用于十纳米及以下的先进制程进行晶圆级的键合技术。同年10月台积电给出了SoIC技术的明确量产时间，预期2020年开始挹注台积电的营收贡献，至2021年将会大量生产。

2019年10月，台积电在美国举办的开放创新平台论坛上，与ARM公司共同发布了业界首款采用CoWoS封装并获得硅晶验证的7纳米芯粒(Chiplet)系统。

三星

作为台积电的老对头，在先进封装上自然不甘示弱。针对2.5D封装，三星推出了可与台积电CoWoS封装制程相抗衡的I-Cube封装制程，在2018年三星晶圆代工论坛日本会议上，三星公布了其封测领域的路线图，就2.5D/3D封装上来说，三星已经可以提供I-Cube 2.5D封装，今年将会推出3D SiP系统级封装，其中I-Cube封装已经可以实现4路HBM 2显存堆栈。

三星电子在去年10月7日宣布，已率先在业内开发出12层3D-TSV（硅穿孔）技术。该技术在保持芯片尺寸的同时增加了内存容量。

英特尔

在2018年底英特尔的“架构日”上，英特尔就公开展示了Foveros 3D芯片封装技术，这是一种系统级封装集成。又于2019年7月的旧金山SEMICON West大会上，英特尔的工程技术专家们介绍了英特尔先进封装技术的最新信息，并推出了一系列全新基础工具，包括将EMIB和Foveros技术相结合的创新应用，以及全新的全方位互连（ODI, Omni-Directional Interconnect）技术。

未来，英特尔在至强、凌动、以及各种CPU与GPU、FPGA、Nervana神经网络处理器等混搭芯片上都会用到Foveros技术。

格芯

从2018年开始，格芯将业务重心转移到平台创新，将原定用于开发7nm 的大量研发资源用于开发独特的功能，这些功能将帮助客户提供所需的差异化优势，以便在不必要使用7nm等技术的各类市场和应用领域中斩获商机。

在AMD最近推出的高级CPU处理器中， 格芯是赋能芯片集(Chiplet)解决方案的关键提供者。

格芯将这些封装层面的进步与其平台和IP结合在一起，共同作为产品组合的重要部分，由此为客户提供统包技术解决方案。作为整个半导体界都在探索的后摩尔时代的出路之一，格芯已经与客户建立了许多“异构集成”计划。同时与合作伙伴联手解决堆叠技术的挑战。如在许多重点领域中，格芯还与EDA 提供者和OSAT等展开合作，希望通过技术改进，简化设计流程或热管理。

中国本土代工大厂们

在先进制程上，中国本土企业无疑与世界先进大厂存在一定差距，但他们也开始加入摩尔定律之外的竞争，开始涉及Chiplet技术以及3D堆叠技术。比如，武汉新芯：

武汉新芯早在2012年开始布局三维集成技术，并于2013年成功将三维集成技术应用于背照式影像传感器，良率高达99%，随后陆续推出硅通孔（TSV）堆叠技术、混合键合（Hybrid Bonding）技术和多片晶圆堆叠技术。

2018年12月3日，武汉新芯对外宣布称，基于其三维集成技术平台的三片晶圆堆叠技术研发成功。此次武汉新芯的晶圆级集成技术可将三片不同功能的晶圆（如逻辑、存储和传感器等）垂直键合，在不同晶圆金属层之间实现电性互连。

2019年6月25日，在川商发展大会开幕前夕，紫光集团联席总裁王慧轩表示，四川成为紫光战略性基地，正建设3D堆叠存储芯片工厂。第一期建成之后，将月产10万片，三期都完成后将拥有月产30万片的一个生产能力。

中芯国际对3D封装技术也有所布局，2013年10月21日宣布成立视觉、传感器和3DIC中心（简称CVS3D）。中芯国际CVS3D整合、强化了中芯国际在硅传感器、通过硅通孔（TSV）技术和其它中端晶圆制程技术（MEWP）的上的研发和生产制造能力。

2014年它与长电科技合资建立中芯长电半导体公司。中芯长电面向凸块加工(Bumping)等中段硅片工艺进行代工制造。2016年中芯长电14纳米凸块加工实现量产。

本文根据芯思想、MoneyDJ、雪球、Techweb及相关公司官网内容整理报道

责编：Amy Guan