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近日，三星电子表示，将于2027年开始生产1.4nm工艺芯片。同时也有台积电启动1.4nm芯片制程工艺开发的消息，台积电已将其3nm工艺研发团队转为1.4nm工艺研发团队。事实上，这已经不是三星和台积电第一次在先进制程的进度上“撞车”。今年，三星和台积电均宣布将在2025年量产2nm芯片。在3nm方面，三星和台积电均宣布今年量产。目前，三星已经抢先一步量产3nm芯片，台积电也蓄势待发，准备在年底前量产3nm芯片，并且苹果M3芯片已经提前预定台积电3nm芯片制程。



在5nm以下制程领域中，仅剩下了三星和台积电最后两家企业，但这两家企业的竞争仍十分激烈，你来我往，形成了拉锯战。而正是这样的拉锯战，促使摩尔定律在重重困难之下，仍不断按照一定速度向前延伸。



台积电、三星的历史恩怨



台积电和三星作为芯片代工厂，自身其实是不会进入芯片研发或销售领域，以避免和客户之间形成竞争。所以，他们最主要的赚钱方式，得依靠苹果、AMD、高通等芯片制造商提供的代工订单。其中，苹果毫无疑问是最大的客户，每年仅iPhone产品可能就需要2亿枚以上芯片，如今再加上M系列，芯片需求量非常夸张。谁能拿下苹果的芯片订单，就意味着你的营收有稳定的保障，而这也真是台积电和三星争夺的目标。



早年，三星其实占据了绝对的优势。2007年乔布斯发布第一代iPhone时，使用的正是从三星采购的ARM架构芯片。后续搭载于iPhone 4、iPhone 4s、iPhone 5、iPhone 5s/5c身上的A4、A5、A6、A7芯片也均由三星代工，那时候还没有台积电什么事。



而转折点出现在2011年，因为三星自己也从事手机研发和销售业务，且是全球最大的手机厂商，如此一来就与苹果在智能手机市场上有了竞争关系。当时，苹果在美国对三星提起诉讼，认为三星第一代Galaxy手机与iPhone长得太像了，侵犯了苹果的若干专利，要求赔偿10.5亿美元。三星自然是不服气，两家就这样互相拉扯，直到2018年6月双方才达成和解。



苹果与三星闹矛盾，苹果自然不愿意继续找三星代工，所以从2011年起就开启了“去三星化”进程。本来A5、A6和A7芯片都准备找其他厂商代工，但当时的台积电工艺制程不如三星，良品率也远不及预期，苹果只能继续选择三星，直到2014年推出的A8芯片，才全部转由台积电代工。



台积电能顺利从三星手中抢到苹果的订单，一方面是苹果急着寻找可替代的代工商，给台积电制造了很大的机会。另一方面是台积电在20nm工艺上取得重大突破，良品率大幅提升，而三星的20nm工艺突然掉链子，关键问题迟迟无法解决，良品率满足不了苹果的要求。正是这样的天时地利，让台积电成功抱到了苹果这条大腿。



大客户被抢三星自然很不爽，于是决定不搞20nm，选择直接从28nm跳到14nm，对台积电的16nm形成反超。所以，在2015年的A9芯片上，苹果又重新分给三星一部分订单，于是出现台积电代工和三星代工两种版本。理论上，三星14nm表现应该是优于台积电16nm，但消费者的口碑却完全相反，很多人都担忧买到三星代工的版本。



这次的失利，让三星彻底失去苹果的代工订单，之后的A10、A11、A12，以及今年的A16均由台积电代工，制程也从2015年的16nm，稳步提升到4nm。隔壁三星确实也在紧追台积电的步伐，去年也量产了4nm芯片，高通骁龙8 Gen1就是基于三星4nm生产。但实际表现大家都有目共睹，以至于下半年的骁龙8+ Gen1紧急转为台积电4nm代工，这才强行挽回了高通的口碑和市场地位。



在芯片代工赛道上，三星的起点领先了台积电数百米，但奈何中期连续多次失利，才让台积电一步步实现反超，直至今日的大幅领先。台积电飞快的崛起速度，打乱了三星技术迭代的节奏，以至于出现了一代拖垮一代的局面。经过多年的积累，三星和台积电同一代工艺之间也存在明显的性能差距，想要追赶甚至反超，难度确实不小。



四大核心技术成竞争焦点



台积电、三星在先进制程的拉锯战中，主要围绕四大核心技术展开竞争。



其一，晶体管结构。据了解，随着芯片制程延伸到5nm以下，原本采用的三面围栅的FinFET晶体管结构开始出现漏电流所导致的功耗与发热问题，这也使得采用四面环栅结构的GAA技术逐渐受到更多关注。复旦大学微电子学院副院长周鹏表示，相较于三面围栅的FinFET结构，GAA技术的四面环栅结构可以更好地抑制漏电流的形成以及增大驱动电流，进而更有利于实现性能和功耗之间的平衡。因此，GAA技术在5nm之后更小的制程中，更受到业界的认可和青睐。



在晶体管结构方面，三星先台积电一步，在其3nm芯片中便开始采用GAA架构，还与IBM联合推出了一种新的垂直晶体管架构VTFET。据了解，在同等功率下，VTFET晶体管提供了FinFET晶体管2倍的性能，而在等效频率下，VTFET可以节省85%的功率。此外，台积电也在GAA架构中不断有所建树，在去年12月的中国集成电路设计业2021年年会上，台积电（中国）总经理罗振球称，台积电将在2nm节点中采用基于GAA架构的MBCFET晶体管架构。



其二，新材料。为了解决晶体管微缩后带来的量子效应、漏电发热等问题，并有效提升芯片能耗、减小芯片面积，台积电、三星等厂商开始不断寻找能够在先进制程芯片中替代或者补充硅材料不足的新材料。据了解，台积电正在研究二硫化钨（WuS2）和碳纳米管等新材料，这些材料能够更有效地移动电子，并让芯片在计算过程中更加节能，降低功耗。此外，三星电子也与蔚山科技学院合作开发出新材料“非晶氮化硼（a-BN）”。据悉，该材料能够起到阻止电干扰的作用，三星将其视为半导体小型化的关键元素之一。



其三，新的光刻设备。下一代EUV光刻机可谓是攻破2nm以下先进制程的命脉，因此，三星、台积电均开始奋力寻求ASML高数值孔径极紫外光刻机。今年6月17日，台积电举行的技术论坛上首次披露，到2024年台积电将拥有ASML最先进的高数值孔径极紫外光刻机，用于生产GAA架构的2nm芯片，并预计在2025年量产。据了解，高数值孔径极紫外光刻机具备更高的光刻分辨率，能够将芯片体积缩小的同时，密度增加2.9倍。几乎同一时间，有报道称三星电子从ASML获得了十多台EUV光刻机，且三星同样表示其2nm芯片将于2025年量产，可见这几台光刻机也在为2nm芯片的量产做准备。



其四，先进封装技术。随着芯片制程的演进和晶体管结构的改变，如何能将芯片“封”得更小，并实现更优质的互联也成为台积电、三星的主攻点。因此，近年来，台积电也在先进封装领域不断发力，接连推出了CoWoS、SOIC 3D等技术，完善其在先进封装领域的布局。为了进一步扩大其在先进封装上影响，2020年台积电将其旗下SoIC、InFO及CoWoS 等3D IC技术平台进行了整合，并命名为3D Fabric。据台积电介绍，在产品设计方面，3D Fabric提供了最大的弹性，整合逻辑Chiplet、高带宽内存(HBM)、特殊制程芯片，可全方位实现各种创新产品设计。



尽管起步较晚，但三星近年来一直坚持不懈地研发先进封装技术。2021年11月，三星宣布已与AmkorTechnology联合开发出混合基板立方体（H-Cube）技术，这是其最新的2.5D封装解决方案，大大降低了高性能计算等市场的准入门槛，使得三星在先进封装领域名声大震。



后续先进制程竞争有什么观察重点呢?



分析师表示，不管是7奈米、6奈米、5奈米、4奈米，这些都还是基于在FinFET的架构，本质上差异并不大，要有更飞越性的效能提升，就要进入新架构，也就是GAA。其实，GAA比FinFET还早10年出现，只是要量产的难度非常高，未来谁能成功量产GAA，并同时兼顾产能及良率，就会胜出。



分析师指出，儘管三星、英特尔可以将GAA架构优先导入自家产品，比较好实现量产 ，不过，要比大量生产不同客户、不同的产品，台积电绝对是遥遥领先。现在看起来台积电2奈米GAA进入量产较对手宣示的时间来得较晚，但这势必是经过深思熟虑，要有一定把握度后，再端上大菜给客户。



对晶片商来说，关心的不仅仅只有效能上的提升，另外包括良率、量能、交期都很重要，才能确保稳定供应、让产品准时上市，这些也都是台积电的强项。这也是为何台积电很有信心，在2奈米进入量产后，仍将会是最成熟、领先的技术，可以支撑客户成长。



此外，近期三星副会长李在鎔与英特尔执行长季辛格会面讨论合作，部分人士揣测是否将压制台积电。不过，分析师认为，三星、英特尔在晶圆代工的合作可能性不高，且两家公司都有大国的自尊，为了自身利益，一定各有盘算。反观台积电向来秉持「everybody’s foundry（大家的代工厂）」，不与客户竞争，更可取得客户的信任。



整体来看，分析师认为，综合供应链管理、技术能力、良率、商业模式、营运管理能力等各项指标，台积电都具备极大优势，因此面对对手的步步进逼，虽要谨慎迎战，但对于维持技术领先应都在掌握之中。相较之下，地缘政治风险则是不可控的因素，尤其大国都在砸银弹扶植本土半导体产业，台积电到海外设厂也需要一定的补贴，未来如何顾好成本、适应新的文化，将会是最大的挑战。



文章来源： 瀚苑半导体观察，美股研究社，中国电子报

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来源：贤集网
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