文｜侃科技
半導(dǎo)體作為人類科技進(jìn)步的技術(shù)核心，過(guò)去一直按摩爾定律前進(jìn)。這期間因?yàn)橹悄苁謾C(jī)芯片小型低功耗的特殊要求，又顯著放大了制程微型化的作用。
臺(tái)積電就沿著晶體管縮小這條路徑屢試不爽，始終保持著行業(yè)領(lǐng)先。從180nm到3nm，臺(tái)積電用20年時(shí)間熬走了99%的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。尤其28nm后，在FinFET技術(shù)上逐步甩開競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，14nm以下基本處于市場(chǎng)壟斷地位。
但是，即便熬走了對(duì)手臺(tái)積電還要面對(duì)一個(gè)更棘手的問(wèn)題：摩爾定律的衰減，使得晶體管微型化變得越來(lái)越困難。
硅基半導(dǎo)體的技術(shù)演進(jìn)，每18 -24個(gè)月晶體管的數(shù)量翻倍帶來(lái)芯片性能提升一倍，或成本下降一半。十多年來(lái)，CPU和GPU的性能每?jī)赡甓喾€(wěn)步提高一倍，而晶體管密度每三年翻一番，能源效率用了近四年的時(shí)間才達(dá)到這一目標(biāo)，摩爾定律仍在前進(jìn)但在明顯放緩。
而且，終端市場(chǎng)需求逐漸從智能手機(jī)轉(zhuǎn)向人工智能，這種轉(zhuǎn)變又帶來(lái)了一個(gè)看似相悖的現(xiàn)象：需求集中在云端的高算力AI芯片，一邊要求使用先進(jìn)制程，一邊又要求成本平衡。
這種情況下，全周圍柵極（GAA）的出現(xiàn)，從技術(shù)層面為制程突破提供了可行解決方案，但伴隨著制程復(fù)雜性的增加和制造成本的劇增。而芯片制造商要在推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)考慮成本和可行性，于是先進(jìn)封裝就成了代工廠的另一把尖刀。
恰好，這兩條路徑被臺(tái)積電為數(shù)不多的對(duì)手三星和英特爾拿捏了。
在3nm節(jié)點(diǎn)，三星選擇GAA以期實(shí)現(xiàn)追趕跨越式發(fā)展，臺(tái)積電則堅(jiān)守FinFET；英特爾則計(jì)劃在2nm節(jié)點(diǎn)趕上臺(tái)積電，且希望在先進(jìn)封裝技術(shù)上大力投入建立優(yōu)勢(shì)。
那么問(wèn)題來(lái)了，用臺(tái)積電的方式打敗臺(tái)積電，可行嗎？
從3nm開始超車
在半導(dǎo)體制程技術(shù)中，2nm確實(shí)被視為可能的物理極限。因?yàn)楫?dāng)晶體管的尺寸縮小到這個(gè)程度時(shí)，量子效應(yīng)開始變得顯著，可能會(huì)導(dǎo)致電子的行為變得不可預(yù)測(cè)。
這種現(xiàn)象被稱為量子隧道效應(yīng)，它可能會(huì)導(dǎo)致電子“跳躍”到它們不應(yīng)該去的地方，從而導(dǎo)致芯片的性能下降。
全周圍柵極（GAA）晶體管是一種新型的晶體管設(shè)計(jì)，它可以在更小的制程下提供更好的性能。
在GAA晶體管中，柵極材料包圍了晶體管的源和漏，從而提供了更好的電流控制。這可以幫助減少量子隧道效應(yīng)，從而使得在2nm甚至更小的制程下的芯片制造成為可能。
而從規(guī)劃來(lái)看，臺(tái)積電、三星和英特爾不約而同的搞起了制程競(jìng)速賽，雖然大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)都是2022-2023年進(jìn)入3nm、2025年進(jìn)入2nm商業(yè)化階段。但細(xì)微處仍有不同：
在關(guān)鍵的3nm節(jié)點(diǎn)上，三星罕見的率先量產(chǎn)，并且還是用更先進(jìn)的GAA技術(shù)。臺(tái)積電雖然隨后也宣布了3nm量產(chǎn)，不過(guò)仍是沿用FinFET技術(shù)。
臺(tái)積電總裁魏哲家的理由是，“選擇沿用FinFET，是經(jīng)過(guò)考慮良久，制程技術(shù)推出不是（為了）好看，是要實(shí)用，要協(xié)助客戶讓產(chǎn)品持續(xù)推進(jìn)?！?/p>
當(dāng)然這是略顯敷衍的官方辭令，真正的原因恐怕是即便三星率先量產(chǎn)3nm，但因?yàn)樵?nm節(jié)點(diǎn)能耗翻車，導(dǎo)致沒(méi)幾家客戶敢吃3nm的螃蟹，只有用量相對(duì)較小的礦機(jī)芯片買家。
三星最近幾年的晶圓制造處于追趕階段，需要在3nm時(shí)代尋找技術(shù)架構(gòu)差異化，拉近與臺(tái)積電芯片代工方面的技術(shù)差距，用更激進(jìn)的策略來(lái)獲取客戶。
這就給了臺(tái)積電以靜制動(dòng)的時(shí)間差。
臺(tái)積電被廣泛認(rèn)為是一個(gè)保守但穩(wěn)定的制程技術(shù)開發(fā)者，他們傾向于確保新技術(shù)的成熟和可靠性，然后再進(jìn)行部署，而不是急于將新技術(shù)推向市場(chǎng)。這種方法可以降低技術(shù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，提高其芯片的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而確?？蛻舻臐M意度。
例如，三星在2018年開始在其7nm工藝中使用EUV，然而臺(tái)積電選擇等待。直到EUV工具的穩(wěn)定性和成熟性得到確認(rèn)，以及相關(guān)問(wèn)題得到解決或至少得到確定，才在2019年的N7+工藝中開始使用EUV。
這種謹(jǐn)慎的方法有助于臺(tái)積電確保其制程技術(shù)的穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性，從而提供高質(zhì)量的芯片給其客戶。
不過(guò)從時(shí)間節(jié)點(diǎn)上看，3nm還未能給臺(tái)積電帶來(lái)紙面上的收益。在最新財(cái)報(bào)里，臺(tái)積電來(lái)自先進(jìn)制程的收入貢獻(xiàn)合計(jì)達(dá)53%，其中5nm的收入占比為30%，7nm為23%。
而來(lái)自券商的消息是，臺(tái)積電3nm已獲得全球最大客戶A的訂單，從2023年下半年貢獻(xiàn)收益。明眼人一看就知道客戶A是蘋果，今年6月就有消息傳出臺(tái)積電2023年近90%的3nm產(chǎn)能被蘋果占據(jù)。
但壞消息是，傳言蘋果要求臺(tái)積電承擔(dān)未合格芯片成本。這種情況在半導(dǎo)體行業(yè)非常罕見，臺(tái)積電3nm初期良率大約在70%左右，蘋果如果和臺(tái)積電達(dá)成這樣的協(xié)議，可以節(jié)省數(shù)十億美元，但也意味著臺(tái)積電的成本壓力驟增。
降低制造成本
雖然大客戶沒(méi)有嘗鮮三星的3nm，但也沒(méi)用臺(tái)積電。核心問(wèn)題就在于，3nm的性價(jià)比實(shí)在沒(méi)到一定水準(zhǔn)。
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)International Business Strategies（IBS）披露過(guò)一組數(shù)據(jù)，3nm芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用約達(dá)5-15億美元，興建一條3nm產(chǎn)線的成本約為150-200億美元。
這筆費(fèi)用傳導(dǎo)到代工的報(bào)價(jià)上就是：3nm工藝12英寸晶圓的報(bào)價(jià)高達(dá)3萬(wàn)美元，幾乎是5nm工藝的一倍，7nm的三倍多。
為實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，調(diào)整每個(gè)矢量變得越來(lái)越困難，芯片設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，先進(jìn)制程的投資額大幅提升，由此帶來(lái)生產(chǎn)成本的抬升，以及因大尺寸芯片帶來(lái)的良率問(wèn)題。
在各個(gè)方面綜合起來(lái)發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)不如前，于是臺(tái)積電、英特爾、三星等就從其他技術(shù)線路突破性能瓶頸，由此chiplet、3D先進(jìn)封裝等新興方向正受到越來(lái)越高的重視。
由于單顆芯片面積越大，良率越低，相應(yīng)成本越高。Chiplet也稱“小芯片”或“芯?！?，它是一種功能電路塊，包括可重復(fù)使用的IP塊（芯片中具有獨(dú)立功能的電路模塊的成熟設(shè)計(jì)，也可以理解為芯片設(shè)計(jì)的中間構(gòu)件）。
該技術(shù)是將一個(gè)功能豐富且面積較大的芯片裸片（die）拆分成多個(gè)芯粒（chiplet），這些預(yù)先生產(chǎn)好的、能實(shí)現(xiàn)特定功能的芯粒組合在一起，通過(guò)先進(jìn)封裝的形式（比如3D封裝）被集成封裝在一起即可組成一個(gè)系統(tǒng)芯片。
模塊化設(shè)計(jì)思路可以提高芯片研發(fā)速度，降低研發(fā)成本。通過(guò)把大芯片分割成芯粒，可有效改善生產(chǎn)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技術(shù)可以將大型7nm設(shè)計(jì)的成本降低高達(dá)25%；在5nm及以下的情況下，節(jié)省的成本更大。
而上文提到的3D封裝，則是代工廠們探究節(jié)省制造成本的另一種體現(xiàn)。
2020年，臺(tái)積電將2.5D和3D封裝產(chǎn)品整合并入一個(gè)全面的品牌3DFabric，由SoIC(系統(tǒng)整合芯片)、InFO(整合型扇出封裝技術(shù))、CoWoS(基板上芯片封裝)所組成。
其中，InFO技術(shù)的典型產(chǎn)品就是iPhone 7搭載的A10芯片，而CoWoS技術(shù)則是蘋果去年發(fā)布的M1 Ultra和今年發(fā)布的M2 Ultra。
具體來(lái)說(shuō)，在封裝這一環(huán)節(jié)，臺(tái)積電將三種技術(shù)分成前、后兩個(gè)階段：
前端封裝(Front-end 3D)：SoIC技術(shù)是在晶圓上，將同質(zhì)或異構(gòu)小晶片都整合到一個(gè)類似SoC的晶片中，該晶片有更小的面積和更薄的外形。在外觀上，新晶片就像普通的SoC一樣，但嵌入了所需的異質(zhì)整合功能。這種前端封裝技術(shù)，是在設(shè)計(jì)階段就要考量并協(xié)同設(shè)計(jì)。
由于本質(zhì)就是在做一顆SoC晶片，因此只有晶圓廠可以做，且必須搭配后端封測(cè)技術(shù)不可單獨(dú)存在。
后端封裝(Back-end 3D)：前端封裝完成的SoIC晶片，必須搭配原有的立體封裝技術(shù)，比如臺(tái)積電的CoWoS和InFO。
而相關(guān)后端封裝技術(shù)也是其他封測(cè)廠商積極跨入的領(lǐng)域，未必是晶圓廠獨(dú)家生意。
英特爾的路數(shù)也大致相似，其先進(jìn)封裝技術(shù)IDM 2.0陸續(xù)推出2.5D封裝的嵌入式多芯片互連橋接（Embedded Multi-die Interconnect Bridge, EMIB）技術(shù)、3D堆疊的Foveros技術(shù)，以及整合2.5D與3D封裝的共嵌入式多芯片互連橋接Co-EMIB技術(shù)。
其中，F(xiàn)overos封裝技術(shù)利用3D堆疊整合不同的邏輯芯片，為IC設(shè)計(jì)公司提供了很大的靈活性，允許其將不同技術(shù)的IP區(qū)塊與各種記憶體和I/O元件混合和搭配。
英特爾認(rèn)為3D封裝能延續(xù)摩爾定律，給予設(shè)計(jì)人員橫跨散熱、功耗、高速信號(hào)傳遞和互連密度的選項(xiàng)，最大化和最佳化產(chǎn)品效能。
也因此誕生了英特爾和臺(tái)積電關(guān)于先進(jìn)封裝的投資大戰(zhàn)：
英特爾在2.5D/3D封裝領(lǐng)域的資本支出近兩邊分別達(dá)35億/47億美元，主要投入Foveros及EMIB等先進(jìn)封裝技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)能擴(kuò)建；
臺(tái)積電在2.5D/3D封裝方面已推出CoWoS及InFO等技術(shù)并進(jìn)入量產(chǎn)，近兩年資本支出達(dá)30億/40億美元，位居全球第二，將擴(kuò)大系統(tǒng)整合芯片（SoIC）中多種3D Fabric平臺(tái)先進(jìn)封裝技術(shù)推進(jìn)及產(chǎn)能建置。
尾聲
2017之前的十年，智能手機(jī)要求性能更高、面積更小、功耗更低的芯片。2017年以后HPC占比明顯提升，云計(jì)算尤其是AI技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)服務(wù)器等高性能計(jì)算需求，由此誕生的一個(gè)歷史轉(zhuǎn)折就是：終端市場(chǎng)需求從智能手機(jī)轉(zhuǎn)向人工智能。
但轉(zhuǎn)折還未顯著，體現(xiàn)在財(cái)報(bào)里就是臺(tái)積電來(lái)自AI芯片的提振并沒(méi)有多少。不過(guò)至少?gòu)哪壳翱?，臺(tái)積電已經(jīng)獲得了先發(fā)優(yōu)勢(shì)，英偉達(dá)、AMD等廠商已經(jīng)首選臺(tái)積電合作。
甚至AMD CEO蘇姿豐在媒體采訪時(shí)，被問(wèn)及是否將在3nm采用三星代工的產(chǎn)品時(shí)，直接來(lái)了一波反問(wèn)：“你相信韓國(guó)媒體嗎?”
參考資料
[1] 先進(jìn)封裝，臺(tái)積電的另一把尖刀，遠(yuǎn)川研究所
[2] 臺(tái)積電：寒氣已經(jīng)傳遞給我了，遠(yuǎn)川研究所
[3] 臺(tái)積電Q2啟示：AI增長(zhǎng)無(wú)法彌補(bǔ)傳統(tǒng)需求衰退，華泰證券
[4] 半導(dǎo)體行業(yè)專題研究：臺(tái)積電，晶圓代工霸主從攻擂到守擂，弘則研究
[5] 3nm良率提至60%以上 三星芯片業(yè)務(wù)迎“逆風(fēng)翻盤”？經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)
[6] 集成電路行業(yè)專題：先進(jìn)制程貼近極限，Chiplet迎來(lái)黃金發(fā)展期，未來(lái)智庫(kù)
[7] 臺(tái)積電試產(chǎn)SoIC，3D封裝走向量產(chǎn)？賢集網(wǎng)