[原创] 10nm的尴尬

2019-12-17
14:00:26
来源: 半导体行业观察


目前,业界量产的最先进制程已经来到了7nm,上一代工艺则是10nm。而有公开的10nm规划,且已经或即将量产该工艺节点芯片的厂商,也只有台积电、三星和英特尔这三家了。此外,中芯国际很可能也在进行着10nm、7nm制程的研发工作,但具体情况还未公开,略显神秘。


在10nm节点处,就台积电、三星和英特尔这三家公司而言,颇有许多相似之处,无论是发展遇到瓶颈,还是出于公司自身先进制程的发展规划,都使得10nm这个制程节点显得有些“另类”。


具体情况如何,来看一下它们的发展情况。

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台积电的10nm过渡










从14nm制程,台积电就反超了以前一直在先进制程方面处于领先地位的英特尔,当然,台积电官方的命名是16nm,实际上,这与英特尔和三星的14nm处于同一级别。



英特尔在14nm节点处徘徊了许多年,而其10nm制程迟迟不能量产,给了台积电进一步超越的机会。


台积电早在2013年就开始了10nm工艺的研发。而按照早期规划,台积电的计划是 2016 年第四季度量产10nm工艺。而实际量产时间与其规划基本吻合,2017年初实现了量产,标志性应用就是苹果的A11处理器,这给台积电带来了巨大的收益。


来自台积电的统计显示,2017年,10nm营收在该公司所有制程中的占比为10%,2018年Q2,占比上升到了13%,Q3占比为6%,2018全年营收占比为11%。




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可见,在这两年里,10nm营收的比例基本持平,且相对份额不高,28nm、16nm和20nm一直是该公司收入的主要来源。


台积电16nm/20nm制程在经历了2016年第四季度的峰值之后,客户在2017年有很大一部分转移到了10nm上,其中华为海思的麒麟970和苹果的A10X,A11处理器是台积电10nm制程的主要客户。


但是,在2017上半年,联发科为了进攻高端市场,全力打造Helio曦力品牌,推出了x30处理器,工艺制程也从原先的16nm,升级到10nm,计划交给台积电代工生产。但是,台积电一方面要解决10nm制程良率的问题,一方面要全力供给苹果处理器,造成联发科x30处理器难产。这间接导致在华为和苹果试水之前,几乎没有厂商大规模采用台积电的10nm制程。这也成为了该公司10nm制程发展的一个障碍。


说到这里,不禁让我们回忆起了2015年初,台积电的一次预估,当时,来自台湾地区的经济日报称,当时的台积电共同执行长刘德音在美林论坛专题演讲中指出,物联网将是继移动设备之后,半导体产业新的增长点。刘德音预估,2020年,10nm制程占台积电总营收比重将达到55%。




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然而,实际情况与当时的预测似乎有比较大的出入,今年10月,台积电第三季度财报显示,该公司当季的7nm制程营收比重达到27%,10nm比重降为2%,16nm占22%。


魏哲家表示,2019全年7nm制程营收比重约25%,明年,随着5G与高效运算应用持续增长,7nm制程比重有望高于今年水平。

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由上图可以看出,台积电将重点放在了7nm上,10nm似乎是一个过渡性的制程节点,所占比重在不断降低。


今年9月,IC Insights预期台积电今年下半年的营收有望较上半年大增32%,是整体IC产业增长率(10%)的三倍以上。苹果、华为最新智能手机的7nm处理器,是台积电下半年营收强力反弹的主要推手。


总体来看,7nm量产之后,台积电就将主要资源投入在了该制程方面,10nm在比较短的时间内,就完成了它的历史任务。

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英特尔的10nm难产










英特尔也是比较早就开始了10nm的研发,原计划是在2016年量产,当时,EUV还不成熟,因此,英特尔选择了多重四图案曝光(SAQP)技术,但研发过程中遭遇困难,导致10nm量产时间一再推迟。而从当时的情况来看,采用SAQP技术造成良率较低可能是迟迟无法规模量产的主要原因。


在那之后,英特尔一直未对外公布10nm量产进度,2017年初,时任英特尔CEO科再奇在美国CES展会前,宣布首颗10nm处理器Cannon Lake就绪,将迎战台积电和三星。然而,没过多久,英特尔官方对外发布了继承当年主打的第七代核心处理器Kaby Lake的第八代Core处理器细节,表示仍将采用14nm制程生产,10nm量产时间又被延迟了。


2017年7月,科再奇在财报发布会上指出,首颗10nm处理器正对客户送样中,将于年底生产,并于2018上半年出货。不过,从当时英特尔宣布的进度来看,10nm制程的进度仍落后于三星和台积电两到三个季度。


2018年5月,科再奇终于承认该公司正在量产10nm制程芯片的漩涡中挣扎。此前有分析师指出,与14nm工艺相比,英特尔将晶体管规模提升2.7倍的10nm制程目标略有些激进。科再奇承认,公司已认识到了这一点,并在努力提升良率。遗憾的是,这需要大量的时间。


2018年11月,在瑞士信贷22届TMT大会上,时任英特尔临时CEO的Swan又重申了他们的10nm工艺路线图:2019年FPGA首先用上10nm制程,2020年初服务器芯片快速跟进,2020年大部分处理器将进入10nm时代,而英特尔也强调他们在2019、2020年及之后的时间里将继续保持领导地位。


Swan也再次解释了他们的10nm工艺为何难产,主要是挑战太大,这个问题他们之前在财报会议上多次提到,相比业界通常的2x晶体管水平,英特尔的10nm制程水平达到了2.7x,高于业界同类水平,但这会导致10nm制程难度过大、良率太低,迟迟不能量产,只能一再延期。


本月初,在瑞士信贷年度技术会议上,Swan表示:“英特尔没有及时推出10nm制程,主要是因为我们对自己超越行业标准的能力过于自信,我们可以将其理解为“Scar Tissue”法则。Scar Tissue 始于摩尔定律,是每两年乘以一个比例因子的简单法则。尽管会面临越来越大的来自物理方面的挑战,但我们仍会将性能设定为最高的标准。”因此,可以说,该公司所认为的10nm制程,其实是竞争对手的7nm。


上周,在IEEE国际电子设备会议(IEDM)上,英特尔发布了未来10年制程工艺路线图,其中就包括10nm的最新规划。在两代工艺节点之间,英特尔将会引入+和++工艺迭代版本,而该公司的10nm目前已经处于10+版本阶段,将在2020年和2021年分别看到10++和10+++版本。


至此,英特尔的10nm终于在2019年底实现量产了。

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三星10nm镜像台积电?










2015年7月,三星电子旗下的制造部门Samsung Foundry的Kelvin Low 在网上发布了一段视频,确认三星已经将 10nm FinFET 工艺正式加入路线图。


此前,三星曾经在旧金山于当年2月举办的国际固态电路会议(International Solid State Circuit Conference,ISSCC)上展示了全球首款10nm FinFET制程晶圆。


2015年,三星凭借14 nm FinFET 制程工艺拿下了苹果大部分的A9处理器订单,而从2016年的A10处理器开始,苹果的订单则全部被台积电占有,三星失去了这个大客户。


2016年11月,三星开始将10LPE制程技术应用到其生产的SoC中。这一技术与三星之前使用的14LPP工艺相比,将能够缩小30%的晶片面积,同时能够降低40%的功耗或者是提高27%的性能(以同样的能耗)。


2017年,几乎与台积电同步量产10nm制程后,三星将大部分的高通骁龙处理器订单收至麾下。不过,为了赶上台积电7nm制程量产的步伐,三星在10nm上花费的精力和时间也比较有限,2019年,三星的7nm制程收到了高通骁龙765的订单。而与台积电相似,将规划的重点放在了未来的5nm和3nm上,10nm很可能也是昙花一现。

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中芯国际加快脚步







在先进制程的进展方面,中芯国际直到2015年第4季度才初步量产28nm制程技术,而14nm FinFET制程在近期实现量产,有营收入账,再次较台积电迟到了3年。而在12nm FinFET制程方面,中芯国际已经开始客户导入,预计2020年正式发布。


而在先进制程进度落后的情况下,在市场竞争中确实处于不利位置,这也是为什么中芯国际一直没有将28nm制程的规模扩大的重要原因,由于28nm制程是台积电的主要收入来源,如果中芯国际在该节点上投入过大,在竞争对手设备折旧基本完成,且具有先发和规模优势的情况下,会带来很大的经营风险。


因此,最近几年,中芯国际一直争取在先进制程方面加快研发进度,如果明年能够实现12nm量产的话,下一步的10nm、7nm会如何规划呢?鉴于三大晶圆厂在10nm节点处的表现和规划,中芯国际是否会在10nm处的发展策略方面跟随其28nm的轨迹,而将重点投入在7nm,甚至是更先进的5nm上呢?

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