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ROTOFLUX加工中心旋轉(zhuǎn)接頭 A08-1302-04R A08-1302-05L ITAIY原廠批
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近期三星電子宣布, 基于3納米(nm)全環(huán)繞柵極(Gate-All-AroundT,簡(jiǎn)稱 GAA)制程工藝節(jié)點(diǎn)的芯片已經(jīng)開始初步生產(chǎn)。而另外一邊的臺(tái)積電的3nm(N3)官方量產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)是在2022年下半年。這樣看起來(lái)三星似乎在3nm這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上超過(guò)了臺(tái)積電，那么三星的3nm技術(shù)真的超過(guò)了臺(tái)積電嗎？
在一些人眼中看來(lái)，半導(dǎo)體工藝名稱中的數(shù)字越小，工藝就越好。由此他們認(rèn)為三星首發(fā)3nm工藝是在半導(dǎo)體制造技術(shù)上超過(guò)了臺(tái)積電，但這種看法其實(shí)并不正確。
首先半導(dǎo)體工藝名稱中的數(shù)字越小往往代表著晶體管尺寸小(晶體管密度高)在芯片面積相同的情況下，晶體管尺寸越小就意味著芯片中可以塞下更多的晶體管。而晶體管數(shù)量越多就可以讓芯片具備更多的功能或者更強(qiáng)的性能。
這里可能有人會(huì)誤解，如果按照這個(gè)邏輯不就是“工藝名稱中的數(shù)字越小，工藝就越好”。但是這里面有一個(gè)特殊情況在于，近幾年的工藝(例如7nm、5nm)，每個(gè)晶圓廠對(duì)于工藝的命名都是“各吹各的號(hào)，各唱各的調(diào)”，沒(méi)有統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。
我們用手機(jī)的命名方式舉個(gè)例子：
蘋果的手機(jī)命名方式是逐代+1，就比如蘋果在2021年發(fā)布了iPhone13，那么下一代iPhone很可能就叫iPhone14，再下一代則為iPhone15。
而華為p系列手機(jī)的命名方式是逐代+10，比如2018年發(fā)布的華為P20、2019年發(fā)布的華為P30、2020年發(fā)布的華為p40、還有之后的華為p50。
一般來(lái)說(shuō)新款手機(jī)相較老款手機(jī)肯定會(huì)提供更多的功能和更強(qiáng)大的性能，所以對(duì)于iPhone系列手機(jī)則可以認(rèn)為：在性能上iPhone15>iPhone14>iPhone13。對(duì)于華為手機(jī)根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)也可以認(rèn)為p30比p20強(qiáng)。
那么這時(shí)候我們能否根據(jù)“20>13”,所以得出結(jié)論“2018年發(fā)布的華為P20性能比iPhone13強(qiáng)”呢？這樣的結(jié)論顯然是荒唐的。由于手機(jī)廠商命名的方式不同，不同品牌的手機(jī)根據(jù)“手機(jī)名稱”進(jìn)行對(duì)比是沒(méi)有意義的。
而對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)，也有著類似的問(wèn)題。由于工藝的命名沒(méi)有統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)常會(huì)給一些外界人士帶來(lái)誤解。就比如三星發(fā)布了3nm工藝，說(shuō)3nm工藝在很多方面強(qiáng)于5nm工藝。而臺(tái)積電這邊量產(chǎn)的是5nm，所以很多人據(jù)此誤解三星超過(guò)了臺(tái)積電。
實(shí)際上三星所想表述的應(yīng)該是：三星的3nm工藝在很多方面強(qiáng)于三星的5nm工藝。至于是否強(qiáng)于臺(tái)積電的5nm工藝，他沒(méi)說(shuō)。
晶體管密度與工藝命名注水
對(duì)于了解半導(dǎo)體行業(yè)的朋友來(lái)說(shuō)，摩爾定律應(yīng)該是比較熟悉了。摩爾定律是英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾的經(jīng)驗(yàn)之談，他發(fā)現(xiàn)每隔18-24個(gè)月，芯片上晶體管數(shù)目就增加一倍。
如果按照摩爾定律對(duì)工藝命名的話，那么就是每一代新工藝相較舊工藝晶體管密度翻倍。就比如說(shuō)10nm工藝晶體管密度理應(yīng)是14nm工藝的2倍，7nm工藝晶體管密度理應(yīng)是10nm工藝的2倍。
這種命名方式在22nm之前還是有效的，但是到了近幾年晶體管密度翻倍變得非常困難，所以各家開始以自己的方式命名半導(dǎo)體工藝。也就是說(shuō)晶體管密度有所提升就可以命名為下一代半導(dǎo)體工藝。
比如三星在描述自家第一代3nm工藝時(shí)就說(shuō)“與5納米(nm)工藝相比，第一代3納米(nm)工藝可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面積減少16%”。芯片面積只減少16%顯然不是一個(gè)晶體管密度翻倍的數(shù)據(jù)。
這樣“有提升就可以按下一代工藝命名”的方式使得不同廠商之間同樣名稱的工藝差異巨大。
三星與臺(tái)積電
既然晶體管密度與工藝名稱在一定程度上相關(guān)，那么我們就可以依靠“晶體管密度”這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)針對(duì)不同廠商之間的工藝進(jìn)行非常粗略的對(duì)比。(同一工藝往往具備多個(gè)庫(kù)，按密度最高的計(jì)算)
根據(jù)ScottenJones(ICKnowledge，viaSemiwiki)和DavidSchor(WikiChipFuse)的數(shù)據(jù)我們可以得知三星5nm工藝(5LPE)的晶體管密度大約為126.5，臺(tái)積電5nm工藝(N5)的晶體管密度大約為173.1。
在三星的官方宣傳中提到“與5納米(nm)工藝相比，第一代3納米(nm)工藝可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面積減少16%；而第二代3納米(nm)工藝則使功耗降低50%，性能提升30%，芯片面積減少 35%。”據(jù)此我們可以計(jì)算出三星第一代3nm工藝(3GAE)晶體管密度大約為150.6，三星第二代3nm工藝(3GAP)晶體管密度大約為194.6。
而在臺(tái)積電的官方宣傳中提到“相較于N5制程技術(shù)，N3制程技術(shù)的邏輯密度將增加約70%，在相同功耗下速度提升10-15%，或者在相同速度下功耗降低25-30%。” 據(jù)此我們可以計(jì)算出臺(tái)積電3nm工藝(N3)晶體管密度大約為294.3。
綜上所述，如果單從晶體管密度的角度來(lái)看，臺(tái)積電的5nm工藝是明顯強(qiáng)于三星的第一代3nm工藝，而三星的第二代3nm工藝才開始真正超過(guò)了臺(tái)積電的5nm工藝。而臺(tái)積電預(yù)計(jì)今年出產(chǎn)的3nm工藝的晶體管密度則大幅超過(guò)了三星第二代3nm工藝。
結(jié)語(yǔ)
1.三星雖然宣稱基于3nm工藝的芯片已經(jīng)開始初步生產(chǎn)，但是并未公布首批出貨的3nm芯片的客戶名單。如果本次出貨的芯片采用的是三星第一代3nm工藝(3GAE)，那么三星在工藝進(jìn)展上其實(shí)是不如臺(tái)積電的。畢竟臺(tái)積電那邊晶體管密度更高的5nm工藝早已出貨，而且還有蘋果、AMD等大客戶的支持。
2.三星的3nm采用的是GAA結(jié)構(gòu)，而臺(tái)積電的3nm采用的是FinFET。新結(jié)構(gòu)往往能帶來(lái)性能、功耗方面的優(yōu)勢(shì)，但往往第一次使用新結(jié)構(gòu)的工藝在一些參數(shù)上表現(xiàn)不會(huì)很好。對(duì)于三星而言就是第一代3nm工藝(3GAE)晶體管密度較低，但在PPA(Performance性能、Power功耗、Area尺寸)方面應(yīng)該是可以超過(guò)臺(tái)積電5nm工藝。而到了第二代3nm工藝，這些方面就會(huì)有所改善。
對(duì)于臺(tái)積電而言，使用更加熟悉的FinFET結(jié)構(gòu)雖然不用承受這些問(wèn)題，但FinFET結(jié)構(gòu)在晶體管密度方面快要走向極限了。如果堅(jiān)持FinFET結(jié)構(gòu)，越往后走研發(fā)過(guò)程就會(huì)越難。臺(tái)積電如果要維持當(dāng)前的晶體管密度設(shè)計(jì)，由于研發(fā)困難很有可能會(huì)出現(xiàn)延期的情況，或者他會(huì)推出一個(gè)晶體管密度稍低的工藝版本。
3.三星能否超過(guò)臺(tái)積電還是要看大客戶的站隊(duì)情況。如果說(shuō)在臺(tái)積電3nm工藝量產(chǎn)前，三星第二代3nm工藝(3GAP)有大客戶使用的話，那么三星就真的超過(guò)了臺(tái)積電。
原標(biāo)題：三星3nm技術(shù)真的超過(guò)了臺(tái)積電嗎
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