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5G通訊吃了敗仗之后,美國封鎖GAA技術,妄圖砍掉中國的3nm入場券

5G通訊吃了敗仗之后,美國封鎖GAA技術,妄圖砍掉中國的3nm入場券

GAA:晶圓時代3nm~2nm制程的最后掙扎GAA全稱:Gate-All-Around,即環繞式柵極技術。這項技術的誕生,旨在解決5nm以下*制程面臨的一系列極端難題。傳統FinFET工藝*在7nm制

GAA:晶圓時代3nm~2nm制程的最后掙扎

GAA全稱:Gate-All-Around,即環繞式柵極技術。

這項技術的誕生,旨在解決5nm以下*制程面臨的一系列極端難題。傳統FinFET工藝*在7nm制程以下,很難解決材料極限、漏電以及物理結構搭建等難題。業界傾向采用GAA技術作為下一階段芯片制造工藝的解決方案。

*5nm以下節點有可能步進于:3nm、2nm、1.5nm等階段;

*FinFET即Fin Field-Effect Transistor,鰭式場效應晶體管(22nm~5nm)。

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FinFET鰭式場效應晶體管結構示意圖(右)

眾所周知,Intel當前使用的芯片制程仍以14nm為主,此制程的柵極距是70nm;而Intel新款10nm工藝下的柵極距則是54nm,然而,理論上業界公認的FinFET工藝柵極距上限僅有42nm,現有的10nm、7nm、5nm(7nm改良版)制程,已接近FinFET的工藝極限。

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而在下一階段(最快2023年后),芯片制程達到5nm以下時,柵極距將繼續下探,屆時,FinFET工藝完全失效。

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2DPL、3DFinFET、3D+GGA制造工藝結構對比

從上面這張結構示意圖可以看出,GGA對比FinFET的核心區別,就是這幾條“Stack of lateral

nanowires”。采用多個條狀(線狀、棍狀)源極和漏極橫向垂直于柵極分布,實現MOSFET*的結構功能,并大幅減少降低柵極距后面臨的一系列問題。

注*:MOSFET:金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

因此,業界對GAA技術的實踐與驗證進入了不得已而為之的階段。為何這么說?往下看。

3nm、2nm節點存續周期、研發量產成本嚴重脫節

根據調研機構IBS的數據顯示,從65nm到5nm不同制造工藝設計研發成本如下:

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制程節點的每一次迭代,對芯片巨頭來說都是一次“大出血”

  • 65nm:2400萬美元;
  • 45/40nm:3900萬美元;
  • 28nm:6290萬美元;
  • 20nm:1.04億美元;
  • 16/14nm:1.78億美元;
  • 10nm:2.82億美元;
  • 7nm:3.49億美元;
  • 5nm:4.76億美元。

*注:僅為設計研發成本,不包含光刻機、原材料、生產成本。

也許很多人會表示疑惑,對于像Intel、三星、臺積電這樣的芯片制造工藝巨頭來說,區區幾億美元的“小錢”,算個啥?確實,這點錢對于這些行業巨頭,甚至對于本土企業來說都只是“小錢”。但是,材料極限、制程極限、技術極限仍是根本瓶頸。換句話說,這是一場“巧婦難為無米之炊”的游戲。

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制程迭代的投入研發自7nm之后,便以進入成本代謝欠佳的階段。高昂的經費、人力、時間投入,換回來的第一件事就是——購置最新的生產設備(每臺價值不低于1億美元,完整的產品生產線約5~12套),還要加上相應的工廠基建、人員培訓、薪資成本、設備維護及折舊... ...一代制程至少需要約25~30億美元的前期投入,才能進入生產階段。

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臺積電的南京工廠(16~40nm非高級工藝)初期投入近200億元人民幣

另外,以臺積電為例。即將于2020年進入量產階段的5nm制程,依然是基于7nm FinFET工藝改良而來,生產設備基本維持前代標準不變。也就是說,進入3nm之后,研發成本、設備更新等等這筆賬目,又要重新來過一遍了。

但是!

大家不妨回憶一下,自上一輪FinFET技術將平價的22nm產品送入尋常百姓家之后,14nm、7nm的更新換代有多快?

除了Intel閉關鎖國堅守14nm多年以來,重要節點的制造工藝存續時間往往不超過4年,而且隨著移動端多核晶片的迭代加速,制造工藝換代速度不斷加快。以AMD的7nm銳龍處理器為例,不到一年時間,7nm的改良版7nm+(EUV)就已登場。而隨后的5nm制程,也將在2020年推出成品(下圖)。

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臺積電的5nm產品2020年量產,改良版5nm+的訂單也已排到2021年

從這種意義上講,即便是行業花費大量財力物力人力,借GAA技術“突破5nm次元”,再其后的3nm、2nm兩代關鍵節點上能夠存續多久?投入回報比又是多少?幾乎成為一道送命題。

舉個通俗易懂的例子:你打算裝一臺電腦,使用Z390芯片組加i9處理器,而2020年即將上市的Intel Comet-Lake S桌面處理器,要替換為LGA1200接口的主板,你說你這塊一千多元的Z390主板買的揪心不?

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同樣的,3nm、2nm制程的產品生命周期,如果參照于7nm、5nm的歷史,恐怕也不會太長。畢竟,1nm之后的芯片歷程將有望完全改寫,碳基底材代替硅基底材之后,現有的IC制程經驗恐怕面臨重寫。與其花8~10億美元投入GAA技術用個三四年,還真不如一步到位把碳納米管搞點成績出來,更符合經濟效益。

GAA尚未定論,美國急于封鎖意欲何為?

簡而言之:預防針+犬吠示威。

各主要芯片制造業巨頭,目前并未確定GAA技術為3nm之后的唯一選擇。雖然三星、Intel乃至IBM、格羅方德都曾展示過各自的GAA類方案,但都未明確聲明這些方案將用于未來的量產階段。

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IBM采用GAA技術制造的的5nm實驗品,采用三個扁條狀納米線

回到標題談到的美國GAA技術封鎖問題。

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項莊舞劍,意在沛公

雖然美國的西方盟友們,對中國的5G技術輸出表態不一,但這一來自東方的科技威懾,對傳統的美國科技霸權已造成了穿透傷害。5nm制程是今后一段時間5G芯片重要的工藝選擇,而5G之后的下一代通訊技術,勢必對芯片性能、制造工藝提出新的要求。美國提前對GAA技術展開封鎖,目的無外乎對中國下一代通訊技術所需的芯片制造方案,套上“緊箍咒”。

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麒麟990處理器采用7nm制程,而后續麒麟1020系列則采用5nm工藝打造

從目前的行業剛需方面來看,國內對于頂級芯片制程需求較為迫切的企業,主要以麒麟系列CPU為主。而全行業其他各門類產品的制程需求,依然集中在12~28nm這一區間,且仍處投產初期和利潤轉化階段。

未來3~4年內國內主要IC廠商(如中芯、華虹),能夠消化吸收目前7nm~12nm的新工藝技術,就算不虧。反正臺積電當前的5nm產能是有麒麟一份的,而這一制程的生命周期樂觀預計會持續到2024年之前。

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綜上所述,未來這4年的路還很長,技術層面出現革新、突破也未嘗不可,國際局面也不可能一成不變這么僵持下去。美方希望靠一紙GAA技術封鎖,就斷了中國芯片行業發展的想法,能理解,然并卵。

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本文旨在釋明美方行為的意圖及影響,深度技術分析方面,讀者們可參考文末“了解更多”鏈接,查詢eeworld制作的專項解讀。


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[責任編輯:無]
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