反超台积电，三星3nm GAA工艺2022年上半年量产！2nm将于2025年量产
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2021-10-09 22:19
10月7日消息，在今日的举行的“Samsung Foundry Forum 2021”论坛活动上，三星推出了全新的17nm工艺，并宣布将于2022年上半年量产3nm制程，更先进的2nm制程将于2025年量产。
推出全新17nm工艺
在此次论坛上，三星宣布推出了全新的17LPV工艺，即Low Power Value的17nm工艺。
实际上，17LPV工艺就是28nm工艺的演进版，其融合了28nm BEOL后端工序、14nm FEOL前端工序，也就是在28nm节点的基础上，加入了14nm FinFET立体晶体管，只需不高的成本，就能享受后者的能效优势。
三星称，17LPV工艺相比传统28nm，芯片面积可缩小43%，可以带来39%的性能提升或者49%的功耗降低。
三星17LPV工艺的量产时间没有说，但三星已经宣布第一个服务对象是ISP图像信号处理器，属于三星自家的CMOS传感器产品线。
此外，三星还打造了14nm LPU工艺，即Low Power Ultimate，但并未透露详情，可能也是28nm BEOL加上14nm FEOL。
为了在半导体制程工艺上追赶上台积电，三星在3nm工艺的研发当中就率先引入了全新的GAA（Gate-all-around，环绕栅极）技术，并计划于2021年下半年领先台积电量产3nm。虽然在今年上半年，三星宣布其3nm GAA工艺已成功流片（Tape Out），但是在“Samsung Foundry Forum 2021”论坛活动上，三星表示转移到全新的GAA技术难度很高，3nm制程将推迟到2022年上半年量产。
从目前的信息来看，三星3nm的客户将包括手机芯片大厂高通、服务器芯片厂商IBM、GPU芯片厂商NVIDIA，以及三星自家的旗舰芯片。
虽然三星3nm的量产时间相比之前的规划有所延后，但是由于其率先将GAA工艺引入到了3nm当中，这也使得其3nm的性能有望领先于台积电依然基于FinFET（鳍式场效应晶体管）工艺的3nm工艺。
传统的平面晶体管（Planar FET）通过降低电压来节省功耗，然而，平面晶体管的短沟道效应限制了电压的继续降低，而FinFET的出现使得电压得以再次降低，但随着工艺的继续推进，FinFET已经不足以满足需求。于是，GAA技术应运而生。
如下图，典型的GAA形式——GAAFET是（Gate-all-around FETs）采用的是纳米线沟道设计，沟道整个外轮廓都被栅极完全包裹，代表栅极对沟道的控制性更好。相比之下，传统的FinFET 沟道仅3 面被栅极包围。GAAFET 架构的晶体管提供比FinFET 更好的静电特性，可满足某些栅极宽度的需求。这主要表现在同等尺寸结构下，GAA 的沟道控制能力强化，尺寸可以进一步微缩。
不过，三星认为采用纳米线沟道设计不仅复杂，且付出的成本可能也大于收益。因此，三星采用了全新的GAA形式——MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多桥-通道场效应管），采用多层堆叠的纳米片来替代GAAFET中的纳米线。
三星表示，MBCFET可以在保留所有GAAFET优点的情况下，最小化复杂度。同时，MBCFET的设计可以兼容之前的FinFET技术，可以直接将为FinFET的设计迁移到MBCFET上，在不提升面积的情况下，提升性能。
在此次论坛上，三星表示，与其5nm制程相较，三星首个3nm GAA 制程技术将使得芯片面积可再减少35%，性能可提高30%或功耗降低50%。除了功耗、性能和面积(PPA) 上改进，随着制程技术成熟，3nm良率将会接近4nm制程。三星预计2022 年推出第一代3nm 3GAE 制程技术，2023年推出更新一代的3nm 3GAP 制程技术。
2025年量产2nm
由于GAA技术可以复用在2nm技术当中，因此，这也使得三星后续的2nm技术研发能够事半功倍。三星在此次论坛上也首次披露，其更先进的2nm技术将会如期在2025年量产，并于2026年开始有大量基于三星2nm的产品上市。
三星表示，其2nm制程技术将使芯片性能、能效进一步提升，继续推进电子产品的小型化。
三星3nm将反超台积电，英特尔将在2nm上领先？
相比于三星在制程技术的激进，台积电则稳扎稳打，其3nm工艺将会继续采用成熟FinFET技术，并计划于2022年年中左右量产。虽然此前有传闻称台积电的3nm工艺可能也将会延迟。不过，台积电表示，“一切依时程进行”。
另外，据此前外媒的爆料显示，台积电对于更为先进的2nm工艺在2023年年底的风险试产良品率达到90%非常乐观。据此推测，台积电的2nm工艺有望将在2024年量产。
值得注意的是，今年3月英特尔已宣布重启晶圆代工业务，并且7月的“英特尔加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会”上，公布了英特尔工艺制程的全新命名方式（与台积电的制程工艺命名比照），并宣布在2023年下半年量产基于FinFET技术的Intel 3（相当于台积电3nm制程工艺），相比前代的Intel 4，Intel 3 每瓦性能上实现约18%的提升。同时，英特尔还将会在2024年量产基于PowerVia和RibbonFET（GAA）技术的Intel 20A（相当于台积电2nm制程工艺）。此外，英特尔还透露将会在2025年推出Intel 18A制程。
目前在晶圆代工市场，特别是在先进制程的竞赛当中，所需要的研发资金投入以及产线建设成本是越来越高。为此，在该领域目前也只剩下了台积电、三星和英特尔这三家厂商在竞争。
根据此前的资料显示，三星计划在2030年之前投资133万亿韩元（约合1160亿美元），以期成为全球最大的半导体代工企业。台积电也计划在未来三年内投入1000亿美元。英特尔在重启晶圆代工业务之后，也宣布了超过1000亿美元的投资计划，比如在美国投资200亿美元建设两座晶圆厂，未来10年在欧洲投资800亿欧元建设至少两座晶圆厂等。
从资金的投入规模来看，作为目前的全球晶圆代工市场的龙头老大，台积电的在晶圆代工领域的资金投入无疑是最大的。而重启晶圆代工业务的英特尔也是来势汹汹。在此背景之下，三星的晶圆代工业务自然也将是面临着更大的压力。
不过，从前面3nm工艺量产时间节点来看，三星有望在3nm上实现对于台积电的反超，并且继续领先于英特尔。而在之后的2nm制程工艺节点，英特尔有望实现对台积电和三星的反超，重新引领全球半导体制程工艺技术。但是，鉴于英特尔此前曾多次跳票的历史，外界对其在2024年量产2nm超越台积电持怀疑态度。
编辑：芯智讯-浪客剑
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