對(duì)比 | 三星與臺(tái)積電的多維度對(duì)比
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2021-03-22
來(lái)源：工程師
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據(jù)報(bào)道，三星計(jì)劃斥資1,160億美元用于其下一代芯片業(yè)務(wù)，其中包括為外部客戶制造芯片代工業(yè)務(wù)，以期在2022年之前縮小與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者臺(tái)積電的差距。
三星的策略是雙重的：
1.2022年下半年將量產(chǎn)3nm芯片，以與臺(tái)積電匹配。
2.如圖1所示，采用更先進(jìn)的全能柵極（GAA）技術(shù)代替TSMC的FinFET結(jié)構(gòu)。
GAA在晶體管性能控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢愿_地控制流經(jīng)溝道的電流，縮小芯片面積并降低功耗。
與FinFETs不同，在FinFETs中，更高的電流需要多個(gè)并排的鰭片，而GAA晶體管的載流能力通過(guò)垂直堆疊數(shù)個(gè)納米片，柵極材料包裹在溝道周圍而增加。
三星聲稱，與7nm技術(shù)相比，其GAA工藝將能夠使芯片面積減少45％，功耗降低50％，從而使整體性能提高35％。
在IEEE國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上，三星工程師分享了即將推出的3nm GAE MBCFET芯片的制造細(xì)節(jié)。三星表示，傳統(tǒng)的GAAFET工藝使用三層納米線構(gòu)造晶體管，并且柵極相對(duì)較薄。此外，三星MBCFET芯片工藝使用納米片構(gòu)造晶體管。目前，三星已經(jīng)為MBCFET注冊(cè)了商標(biāo)。三星表示，這兩種方法都可以達(dá)到3nm。
在本文中，我從技術(shù)，產(chǎn)能和資本支出重點(diǎn)探討了三星公司目前和未來(lái)的能力（三星存儲(chǔ)部門除外），以及三星是否確實(shí)能夠縮小7納米以下節(jié)點(diǎn)的差距。
三星3納米芯片的更多細(xì)節(jié)
三星晶圓廠將成為第一家在即將到來(lái)的3nm工藝中使用類似全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAAFET）結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體制造商。雖然該節(jié)點(diǎn)尚未準(zhǔn)備就緒，但在IEEE國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）上，三星晶圓廠的工程師分享了有關(guān)即將推出的3 nm GAE MBCFET（multi-bridge channel FET）制造技術(shù)的一些細(xì)節(jié)。
據(jù)介紹，有兩種類型的GAAFET：典型的GAAFET，這被稱為具有“薄”鰭的納米線。以及MBCFET，稱為具有“厚”鰭的納米片。在兩種情況下，柵極材料在所有側(cè)面上都圍繞溝道區(qū)。納米線和納米片的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式在很大程度上取決于設(shè)計(jì)，因此，一般而言，許多行業(yè)觀察家用術(shù)語(yǔ)GAAFET來(lái)描述兩者。但是以前它們被稱為環(huán)繞柵晶體管（surrounding-gate transistors ：SGT）。值得一提的是，MBCFET是 三星的 商標(biāo)。
1988年，全球首次展示了GAAFET，因此該技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)眾所周知。這種晶體管的結(jié)構(gòu)使得設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)調(diào)節(jié)晶體管通道的寬度（也稱為有效寬度或Weff）來(lái)精確地對(duì)其進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)高性能或低功耗。較寬的薄片（sheets）可以在更高的功率下實(shí)現(xiàn)更高的性能，而較薄/較窄的薄片可以降低功耗和性能。為了對(duì)FinFET做類似的事情，工程師必須使用額外的鰭來(lái)改善性能。但是在這種情況下，晶體管溝道的“寬度”只能增加一倍或兩倍，這并不是很精確，有時(shí)效率很低。另外，由于不同的晶體管可以用于不同的目的，因此通過(guò)調(diào)整GAAFET可以提高晶體管的密度。
早在2019年，三星推出的的3GAE工藝設(shè)計(jì)套件版本0.1就包括四種不同的納米片寬度，以為早期采用者提供一定的靈活性，盡管目前尚不清楚該公司是否增加了寬度以提供額外的靈活性。但是三星表示，總的來(lái)說(shuō)，與7LPP技術(shù)相比，其3GAE節(jié)點(diǎn)將使性能提高30％（在相同的功率和復(fù)雜度下），功耗降低50％（在相同的時(shí)鐘和復(fù)雜度下），并且晶體管密度提高了80％（包括邏輯和SRAM晶體管的混合）。
三星的3GAE（其第一代MBCFET技術(shù)）將于2022年推出。雖然三星目前尚未披露其所有特性。但該公司在ISSCC上討論了如何使用新型晶體管來(lái)提高SRAM性能和可擴(kuò)展性。
近年來(lái)，SRAM的可擴(kuò)展性一直落后于邏輯的可擴(kuò)展性。同時(shí)，現(xiàn)代片上系統(tǒng)將SRAM的負(fù)載用于各種高速緩存，因此提高其可伸縮性是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。
據(jù)《EE Times》亞洲報(bào)道，三星代工廠在ISSCC上介紹了其256Mb MBCFET SRAM芯片，該芯片的尺寸為56mm2 。這意味著盡管該公司尚未推出其首款3GAE邏輯芯片，但顯然該技術(shù)適用于SRAM。
SRAM是一個(gè)六晶體管存儲(chǔ)單元：兩個(gè)傳輸門（pass gates），兩個(gè)上拉和兩個(gè)下拉。在FinFET設(shè)計(jì)中，SRAM單元將使用具有相同溝道寬度的相同晶體管。借助MBCFET，三星可以調(diào)整溝道寬度，因此提出了兩種方案：在一種情況下，三星將溝道更寬的晶體管用于傳輸門和下拉電路，而在另一種情況下，三星將使用具有較寬溝道的晶體管用于傳輸門和晶體管。
至于較窄的下拉通道。三星通過(guò)IEEE Spectrum稱，通過(guò)將具有更寬溝道的晶體管用于傳輸門，并將具有較窄通道的晶體管用于上拉，與常規(guī)的SRAM單元相比，三星設(shè)法將寫入電壓降低了230 mV 。
三星與臺(tái)積電的支出和產(chǎn)能
三星是否有能力在臺(tái)積電主導(dǎo)的市場(chǎng)中占據(jù)重要份額？這是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。因?yàn)榕_(tái)積電本身在2021年花費(fèi)了創(chuàng)紀(jì)錄的250億美元，以確保它保持在技術(shù)和產(chǎn)能的前列。
表1列出了臺(tái)積電和三星晶圓代工部門所有節(jié)點(diǎn)的總產(chǎn)能。從積極的一面來(lái)看，臺(tái)積電的產(chǎn)能比例從2016年的3.3倍降至2021的2.3倍。
表1中的數(shù)據(jù)顯示，臺(tái)積電在產(chǎn)能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于三星，但價(jià)差略有下降。原因之一是三星的資本支出增加，如表2所示，該公司在2020年的制造資本支出同比增長(zhǎng)了85％，并計(jì)劃在2021年進(jìn)一步增長(zhǎng)32％。相比之下。臺(tái)積電在2020年的資本支出變化為-7％，但在2021年將增長(zhǎng)49％。
表3顯示了7TSMC和Samsung在7nm以下節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能對(duì)比。在2019年和2020年，臺(tái)積電在7nm節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能大約增加了5-6倍，到2021年的預(yù)測(cè)是3.5倍。在5納米節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電的產(chǎn)能大約增加了四倍。
為了彌補(bǔ)5nm和3nm的有限產(chǎn)能，三星正推進(jìn)先進(jìn)的邏輯體系結(jié)構(gòu)，我之前已經(jīng)討論過(guò)，請(qǐng)讀者參考圖1。
臺(tái)積電擁有460多個(gè)客戶，其領(lǐng)先的客戶名單包括蘋果，博通，海思半導(dǎo)體，AMD，聯(lián)發(fā)科，NVIDIA，高通和英特爾等頂級(jí)無(wú)晶園公司和IDM。
表4顯示了這些公司及其在2019-2021年臺(tái)積電收入中所占的百分比。
至于三星，將其客戶群與臺(tái)積電進(jìn)行比較有點(diǎn)誤導(dǎo)。2020年，三星將其晶圓代工廠產(chǎn)的60％用于內(nèi)部使用，主要用于智能手機(jī)的Exynos芯片。其余產(chǎn)能來(lái)自非專屬客戶，高通（20％），其余20％來(lái)自Nvidia，IBM和英特爾。隨著三星在2021年增加其低于7納米的產(chǎn)量，自用產(chǎn)能占比將降低，可能降至50％。
三星和臺(tái)積電爭(zhēng)霸戰(zhàn)開打
據(jù)分析機(jī)構(gòu)ICinsights報(bào)道，在過(guò)去的25年中，跟上前沿IC技術(shù)的發(fā)展步伐變得越來(lái)越昂貴?，F(xiàn)在，為邏輯器件實(shí)施最先進(jìn)的工藝技術(shù)所需的投資已將大部分公司已經(jīng)趕出了市場(chǎng)，僅剩下三星，臺(tái)積電和英特爾這三家公司。而在這三家制造商中，只有兩家可以真正地處于領(lǐng)先地位，那就是三星和臺(tái)積電。
從現(xiàn)狀看來(lái)，他們都可以批量生產(chǎn)7nm和5nm IC。相比之下，預(yù)計(jì)直到2022年，英特爾都不會(huì)在自己的制造工廠中大批量生產(chǎn)7nm器件，而屆時(shí)三星和臺(tái)積電預(yù)計(jì)已經(jīng)推出3nm制程技術(shù)生產(chǎn)商業(yè)量的IC。
從歷史上看，具有最高資本支出水平的IC公司也是能夠生產(chǎn)最先進(jìn)芯片的公司。盡管在過(guò)去27年中，英特爾已連續(xù)25年位居半導(dǎo)體行業(yè)前兩大資本支出者之列（圖2），但該公司在2020年的支出僅是三星當(dāng)年支出的一半左右，而且預(yù)計(jì)將再次遠(yuǎn)低于三星支出的一半。三星和臺(tái)積電預(yù)計(jì)今年將各自支出約280億美元。
在2010年，三星的半導(dǎo)體資本支出花費(fèi)首次超過(guò)了100億美元。在2016年，公司在半導(dǎo)體資本支出上花費(fèi)了113億美元，然后在2017年，三星半導(dǎo)體集團(tuán)的支出增加了一倍以上，達(dá)到242億美元。
自2017年以來(lái)，三星的半導(dǎo)體資本支出一直非常強(qiáng)勁，2018年的支出更是達(dá)到驚人的216億美元，2019年達(dá)到193億美元，去年達(dá)到281億美元。 在半導(dǎo)體行業(yè)的歷史上，三星在2017-2020年期間的龐大支出（932億盡管三星尚未為其2021年的支出提供指導(dǎo)，但I(xiàn)C Insights估計(jì)該公司的支出將基本與2020年持平。
臺(tái)積電是唯一提供領(lǐng)先技術(shù)的純晶圓代工廠。它對(duì)7納米和5納米工藝的需求非常強(qiáng)勁，這些工藝占其2H20銷售額的47％。它目前的大部分投資都針對(duì)其7nm和5nm技術(shù)的額外產(chǎn)能。
臺(tái)積電的5nm產(chǎn)品占到2020年總銷售額的8％（35億美元），由此可以說(shuō)明去年臺(tái)積電轉(zhuǎn)向了更先進(jìn)的工藝有多快，因?yàn)樵摴驹谌ツ晟习肽昊旧蠜](méi)有5nm收入。
現(xiàn)在看來(lái)，三星和臺(tái)積電都意識(shí)到了眼前的千載難逢的機(jī)遇。
三星在2017年開始支出激增，臺(tái)積電也將在2021年開始大規(guī)模的多年支出增長(zhǎng)。ICInsights預(yù)計(jì)，三星和臺(tái)積電今年的資本支出將至少達(dá)到555億美元，占總支出的5％。前兩個(gè)支出最多的時(shí)間是半導(dǎo)體行業(yè)總支出中的高百分比（圖3）。
由于目前尚無(wú)其他公司能夠與這些龐大的支出相匹敵，因此三星和臺(tái)積電今年可能會(huì)在先進(jìn)集成電路制造技術(shù)方面與自身和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手展開更大的距離。
像歐盟，美國(guó)和中國(guó)這樣的政府能否投資于其本土IC產(chǎn)業(yè)并趕上與三星和臺(tái)積電（TSMC）的IC技術(shù)競(jìng)賽？
考慮到差距還很大，IC Insights認(rèn)為，各國(guó)政府至少需要在至少五年內(nèi)每年花費(fèi)至少300億美元，才能獲得合理的成功機(jī)會(huì)。他們是否有意愿和/或能力兌現(xiàn)這一承諾？
此外，對(duì)中國(guó)而言，即使有錢，也肯定會(huì)受到貿(mào)易問(wèn)題的阻礙，因?yàn)橘Q(mào)易問(wèn)題禁止一些最關(guān)鍵的過(guò)程設(shè)備出售到中國(guó)。
如果沒(méi)有其他IC生產(chǎn)商或政府采取迅速而果斷的行動(dòng)，三星和臺(tái)積電就將成功占領(lǐng)世界領(lǐng)先的IC工藝技術(shù)，這是未來(lái)先進(jìn)的消費(fèi)，商業(yè)和軍事電子系統(tǒng)的基石。
總結(jié)
三星比臺(tái)積電落后一代，后者預(yù)計(jì)將保持5nm和3nm的領(lǐng)先地位。
EUV系統(tǒng)的不足是臺(tái)積電在三星方面領(lǐng)先一代的催化劑。到2020年，三星電子總共購(gòu)買了25臺(tái)EUV光刻系統(tǒng)，而臺(tái)積電則購(gòu)買了約50臺(tái)。
在短期內(nèi)，有幾個(gè)緩解因素將保持這一差距：
- ASML的生產(chǎn)限制為每年約50個(gè)EUV系統(tǒng)
- ASML還有其他要分配系統(tǒng)的客戶，包括SK海力士，英特爾，美光科技和可能的中芯國(guó)際
- 三星還必須分配資本支出用于其DRAM部門的EUV購(gòu)買
由于三星不是臺(tái)積電（TSMC）這樣的純晶圓代工廠，其7納米以下的產(chǎn)量中至少有50％被分配給其智能手機(jī)內(nèi)部使用，這將限制其客戶群，因?yàn)槠洚a(chǎn)能增長(zhǎng)將因缺乏EUV而受到阻礙系統(tǒng)。
三星將通過(guò)過(guò)渡到3nm的GAA和MBCFET等高級(jí)邏輯架構(gòu)，逐步縮小技術(shù)差距。GAA的功耗降低了50％，整體性能提高了35％，這將推動(dòng)客戶向三星遷移，只要有可用的容量。但是產(chǎn)能缺口仍將存在。
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