最近一段时间,世界最先进的两家晶圆代工厂,台积电和三星公布了未来的制程工艺路线图。综合各媒体消息来看,台积电3nm工厂已经毫无悬念。而2nm、1nm甚至1nm以下的工艺节点也已有布局。
台积电南京公司总经理罗镇球今年八月在一个演讲中也表示:
目前为止,我们看到3纳米、2纳米、1纳米都没有什么太大问题。
3nm:苹果已下单?
按照台积电规划,台积电3nm工厂已经搭建完毕,正在全力提升良率,。乐观估计,台积电明年就将完成认证与试产,2022年开始量产。根据台积电的说法,3nm 制程与5nm相比,同等面积内将增加70%的晶体管数量,降低30%的功耗以及提升15%的性能。
有消息称,苹果芯片部门已经开始与台积电商讨3nm芯片订单事宜,或将使用3nm芯片率先生产PC上使用的M系列芯片,保证Macbook、iMac和Mac系列产品的芯片在工艺上对英特尔的领先。但该说法未得到苹果和台积电的证实。
2nm:启用下一代结构,挑战巨大
按照工艺制程的命名规则,每一代关键工艺的从3nm制程工艺开始,每降低1nm都是一个关键工艺节点,2nm也将成为三星和台积电的重点争夺对象。据《电子时报》报道,台积电近日宣布在2nm 制程上取得重大内部突破,有望于 2023 年下半年进行风险性试产,2024 年投入量产。
目前,台积电无论是5nm还是3nm,晶体管都采用了14nm沿用下来的FinFET结构,而面对2nm或者更先进的制程,将启用全新的GAAFET(环绕栅极晶体管)结构(简称GAA)。
对于台积电和三星来说,GAA工艺都将是一个巨大的挑战,不仅同时攻克晶体管尺寸缩小上带来的挑战,还需要面对制造全新复杂结构的巨型难题。按照台积电的规划,从3nm缩小到2nm,GAA的从无到有仅需要1年时间,这不由得让人怀疑是否能够如期完成。
三星宣布将在3nm节点上提前启用GAA技术,企图弯道超车领先于台积电。但是由于GAA结构复杂,设计难度大,工艺流程繁琐,对材料的要求更高。有业内人士预计,三星贸然提前GAA结构,可能会遭遇严重的良率问题,在3nm节点上继续落后于台积电。
1nm:关键设备与材料已突破
12月26日,有媒体报道称,台积电将在高雄市落地1nm晶圆工厂。高雄市政府虽然态度很积极,但是台积电董事长刘德音仍表示"以后有机会,短期没规划",态度相对保守。
虽然在厂房建设上没有进一步规划,但是台积电在关键设备和材料已经实现了突破性进展。荷兰光刻机制造商ASML表示,目前已经完成了适用于1nm制程工艺生产的EUV曝光系统的基本设计,2022年实现商业化,预计在2023年交付台积电和三星。
台湾交通大学与台积电也在二维绝缘材料是实现了重大突破,开发出全球最薄、厚度只有0.7纳米的超薄二维半导体材料绝缘体,有望借此实现1nm制程。
目前,台积电预计2024年开始1nm制程工艺风险试产,2025年实现早期量产。1nm是目前半导体产业清晰看到的可实现最先进工艺。因此,1nm关键节点也被认为是台积电和三星的最终之战。
0.1nm:埃米时代
目前,除了三星和台积电已经杀入5nm领域,其他厂商仍然停留在"两位数"时代,0.1nm看起来是遥不可及的"梦幻领域"。但是台积电表示依然有信心攻克0.1nm制程,进入"埃米时代"(1埃米=1纳米)。早在2019年,台积电研发负责人黄汉森就表示,毋庸置疑,摩尔定律依然有效且表现良好,它没有死掉、也没有减缓。
当时黄汉森展示的路线图中,就出现了0.1nm制程节点,有望在2050年之前实现。
台积电目前将0.1nm视为"超前规划",技术路线并不明确。
台积电的相关科研部门承诺,将投入43.72亿元推动"埃米时代"计划,率先探索"埃米时代"的技术路线,做厂商的领路人。
在"埃米时代"的芯片制造将遇到各种严重困难,如今现有的许多技术都将失效,GAA结构也不再适用。当下炙手可热的EUV系统也无法满足"埃米时代"的芯片生产需要,人类必须采用更先进的曝光技术,刻蚀机和离子注入机等关键设备也将全面进化。
另外,也有专家指出,0.1nm制程可能不是芯片制造的必然路线,或另辟蹊径使用碳纳米管制作芯片,获得更高的计算性能以及更低的功耗,台积电在碳纳米管技术上也有一定储备。
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