股票啦网 www.gupiaola.com 2021年11月19日报道：集成电路先进工艺研发难于上青天

最近，有媒体报道称，台积电最新3nm工艺陷入瓶颈，投产遭遇困难，首次投资美股可能无法如期进入大规模量产阶段。随着摩尔定律的不断延伸，芯片巨头们纷纷在先进工艺上“翻车”，英特尔从10nm开端频频遭遇“难产”，三星5nm芯片也被连续传出良品率低下的消息。而如今，芯片代工界的“风向标”台积电也被传出在3nm工艺遇阻，先进工艺的开发究竟难在哪里？

受台积电3nm“难产”影响 苹果新机或将转向4nm

据熟悉，台积电3nm工艺遇阻，首次投资美股苹果作为台积电3nm最大的客户所受影响最为严峻。估计苹果明年的新机iPhone 14所搭载的A16芯片，恐无法使用3nm工艺，可能会转向4nm工艺。

虽然最近台积电已针对网上传言做出回应，即3nm制程按照计划进行，不评论客户或销售市场风闻，但人们照旧疑虑重重。这是由于此前台积电曾表达3nm将于今年试生产并于明年量产，然而目前还没有听闻任何关于台积电3nm投产的消息。

此外，就算此次台积电3nm成功量产，初期的产能估测也不高，首次投资美股不敢保证能满足苹果的订单需求。此前有媒体报道称，英特尔是台积电3nm工艺的大客户，会占据绝大部分的产能。而苹果A系列芯片的订单量又比较庞大，今年A15就已超过1亿枚，由此可见，台积电3nm的订单恐怕很难同时满足双方的需求。

先进工艺研发困难重重

有人称，首次投资美股集成电路先进工艺研发难于上青天。那么，先进工艺研发难，究竟难在哪里？

首先，芯片制程的不断演进，最直观的变化便是芯片上集成的晶体管数目显著提升，从而使得芯片良率问题愈来愈难以得到保障。

以华为麒麟9000为例，其5nm芯片的晶体管数目比上一代运用7nm工艺制程的麒麟990(5G版)足足多出50亿个，首次投资美股总数目提高到了153亿之多。而晶体管数目越多，芯片相应的运算和储备能力也就越强，进而使得芯片在程序运作、速度、数据处理性能等方面都获得较为显著的提升。

然而，随着芯片中的晶体管数量的提升，密度也愈来愈高，复旦大学微电子学院副院长周鹏介绍，晶体管微缩进入亚5纳米后遭遇的短沟道和泄露等挑战更加严峻，一旦沟道厚度小于4纳米，材料晶格缺陷造成的散射会使载流子迁移率发生严峻退化，阻碍摩尔定律推进。

因此，进入先进制程后，首次投资美股众多芯片代工厂商开端面临晶圆代工良率改善的难题，例如，近日有消息称，三星代工业务遭遇不顺，三星电子华城园区V1厂部分5nm EUV良率乃至低于50%。

其次，先进制程芯片的高成本给众多芯片厂商带来了庞大的压迫，使得愈来愈多的芯片厂商挑选退出先进制程的销售市场竞争。销售市场钻研机构International Business Strategies(IBS)的数据显示，28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元，而到了7nm和5nm，芯片的工艺成本迅速增加，5nm大幅增至4.76亿美元。

据熟悉，台积电在2020年财报中表达，首次投资美股2021年的资本支出将提升至250亿~280亿美元，远远超出2020年的172亿美元。80%的资本将用于先进制程的研发，包含3nm、5nm和7nm。

之所以先进制程芯片的成本不断增加，不可忽视的是半导体材料(512480)制造设备成本每年增加11%，每颗芯片的设计成本增加24%，其增长率都高于半导体材料(512480)销售市场7%的增长率。

同时，首次投资美股随着半导体材料(512480)复杂性的增加，对高端人才的需求也不断增长，这也进一步推高了先进制程芯片的成本。

难并不意味着无法前进

今年年初，5nm手机芯片整体“翻车”事件，首次投资美股使得人们针对5nm芯片的良品率低、质量翻车等质疑声不绝于耳。随着技术节点的不断提升，芯片的研发成本和难度都在与日俱增，此次风闻台积电3nm工艺陷入瓶颈，使得人们针对马上出炉的3nm芯片也抱有质疑，业界对摩尔定律再次演进的路线愈发感觉不清楚。

“先进工艺在研发生产过程中隐藏一些问题，这是再正常不过的现象。技术的研发就是个不断试错的过程，隐藏问题并不恐怖，在技术迭代的过程中及时进行修复即可，而非因为怕犯错误就挑选放弃。”半导体材料(512480)业内知名专家莫大康说道。

事实上，在芯片进展的过程中，对摩尔定律的质疑声从未停歇，首次投资美股然而，摩尔定律却从未走向尽头，人们针对先进制程的追求仍在再次。由此可见，先进制程技术的研发虽然难，可是并不意味着无法前行，各种新兴技术好像雨后春笋般渐渐露出水面。

周鹏介绍，随着芯片制程进展至5nm以下，晶体管沟道长度进一步缩短，晶体管中电荷的量子隧穿效应将变得更加简单，这些不受操纵的隧穿电荷将导致晶体管产生较大的漏电流，进而使得芯片的功耗问题变得更加严峻。为了更好地操纵芯片功耗，具有更强沟道电流操纵能力的GAA结构将受到更多的重视。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有效平稳。如今，三星已经先发一步在3nn中运用GAA技术，同时，台积电也表达将在2nm技术中运用GAA技术。这说明GAA技术在5nm之后以及更小的制程中，更受到业界的普遍认可和青睐。

此外，为了弥补三维半导体材料(512480)材料缺陷，首次投资美股二维半导体材料(512480)材料开端逐步映入人们的眼帘。据熟悉，台积电利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触电极，在1nm技术中实现关键突破，可大幅降低电阻并提高电流。

南京大学教授王欣然表达，由于二维半导体材料(512480)材料最为显著的两个特点是薄以及能够垂直堆叠，因此二维半导体材料(512480)将来可能会在水平和垂直两个维度上连续摩尔定律，将来有助于在更先进的制程技术上实现突破。

由此可见，虽然随着芯片技术节点的提升，技术难度愈来愈大，研发成本也愈来愈高昂，首次投资美股但这并不意味着摩尔定律完毕。只是由于技术节点的不断延伸，研发难度愈来愈大，隐藏的问题也难免增多，但新兴技术也在不断进展。在半导体材料(512480)领域中，任何一种技术的转换更迭往往都需要经历多年的试错和改进，这些新的技术，能否最终实现预测的高性能和低功耗的效果，还需静待时日。