最近一段時間,世界最先進的兩家晶圓代工廠,臺積電和三星公佈了未來的製程工藝路線圖。綜合各媒體消息來看,臺積電3nm工廠已經毫無懸念。而2nm、1nm甚至1nm以下的工藝節點也已有佈局。
臺積電南京公司總經理羅鎮球今年八月在一個演講中也表示:
目前為止,我們看到3納米、2納米、1納米都沒有什麼太大問題。
3nm:蘋果已下單?
按照臺積電規劃,臺積電3nm工廠已經搭建完畢,正在全力提升良率,。樂觀估計,臺積電明年就將完成認證與試產,2022年開始量產。根據臺積電的說法,3nm 製程與5nm相比,同等面積內將增加70%的晶體管數量,降低30%的功耗以及提升15%的性能。
有消息稱,蘋果芯片部門已經開始與臺積電商討3nm芯片訂單事宜,或將使用3nm芯片率先生產PC上使用的M系列芯片,保證Macbook、iMac和Mac系列產品的芯片在工藝上對英特爾的領先。但該說法未得到蘋果和臺積電的證實。
2nm:啟用下一代結構,挑戰巨大
按照工藝製程的命名規則,每一代關鍵工藝的從3nm製程工藝開始,每降低1nm都是一個關鍵工藝節點,2nm也將成為三星和臺積電的重點爭奪對象。據《電子時報》報道,臺積電近日宣佈在2nm 製程上取得重大內部突破,有望於 2023 年下半年進行風險性試產,2024 年投入量產。
目前,臺積電無論是5nm還是3nm,晶體管都採用了14nm沿用下來的FinFET結構,而面對2nm或者更先進的製程,將啟用全新的GAAFET(環繞柵極晶體管)結構(簡稱GAA)。
對於臺積電和三星來說,GAA工藝都將是一個巨大的挑戰,不僅同時攻克晶體管尺寸縮小上帶來的挑戰,還需要面對製造全新複雜結構的巨型難題。按照臺積電的規劃,從3nm縮小到2nm,GAA的從無到有僅需要1年時間,這不由得讓人懷疑是否能夠如期完成。
三星宣佈將在3nm節點上提前啟用GAA技術,企圖彎道超車領先於臺積電。但是由於GAA結構複雜,設計難度大,工藝流程繁瑣,對材料的要求更高。有業內人士預計,三星貿然提前GAA結構,可能會遭遇嚴重的良率問題,在3nm節點上繼續落後於臺積電。
1nm:關鍵設備與材料已突破
12月26日,有媒體報道稱,臺積電將在高雄市落地1nm晶圓工廠。高雄市政府雖然態度很積極,但是臺積電董事長劉德音仍表示"以後有機會,短期沒規劃",態度相對保守。
雖然在廠房建設上沒有進一步規劃,但是臺積電在關鍵設備和材料已經實現了突破性進展。荷蘭光刻機製造商ASML表示,目前已經完成了適用於1nm製程工藝生產的EUV曝光系統的基本設計,2022年實現商業化,預計在2023年交付臺積電和三星。
臺灣交通大學與臺積電也在二維絕緣材料是實現了重大突破,開發出全球最薄、厚度只有0.7納米的超薄二維半導體材料絕緣體,有望藉此實現1nm製程。
目前,臺積電預計2024年開始1nm製程工藝風險試產,2025年實現早期量產。1nm是目前半導體產業清晰看到的可實現最先進工藝。因此,1nm關鍵節點也被認為是臺積電和三星的最終之戰。
0.1nm:埃米時代
目前,除了三星和臺積電已經殺入5nm領域,其他廠商仍然停留在"兩位數"時代,0.1nm看起來是遙不可及的"夢幻領域"。但是臺積電表示依然有信心攻克0.1nm製程,進入"埃米時代"(1埃米=1納米)。早在2019年,臺積電研發負責人黃漢森就表示,毋庸置疑,摩爾定律依然有效且表現良好,它沒有死掉、也沒有減緩。
當時黃漢森展示的路線圖中,就出現了0.1nm製程節點,有望在2050年之前實現。
臺積電目前將0.1nm視為"超前規劃",技術路線並不明確。
臺積電的相關科研部門承諾,將投入43.72億元推動"埃米時代"計劃,率先探索"埃米時代"的技術路線,做廠商的領路人。
在"埃米時代"的芯片製造將遇到各種嚴重困難,如今現有的許多技術都將失效,GAA結構也不再適用。當下炙手可熱的EUV系統也無法滿足"埃米時代"的芯片生產需要,人類必須採用更先進的曝光技術,刻蝕機和離子注入機等關鍵設備也將全面進化。
另外,也有專家指出,0.1nm製程可能不是芯片製造的必然路線,或另闢蹊徑使用碳納米管制作芯片,獲得更高的計算性能以及更低的功耗,臺積電在碳納米管技術上也有一定儲備。
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