【晶片決鬥】次世代晶片巔峰之戰：三星、台積電３奈米製程較高下！

　　在講求運算速度的數碼年代，全球半導體製造業者均埋首於微縮晶片製程，以造出運算效能更高的晶片。踏入2020年，晶片製程從7奈米跨進5奈米世代，台積電（TSMC）先拔頭籌，4月已能投入量產，競爭對手三星（Samsung）則要等到年底才可量產。不過，這只是先進製程競賽的起點，下一個新戰場將會是3奈米以下製程。三星率先發表全新架構的3奈米技術，台積電則祭出2奈米製程來反制對手。究竟在新一輪晶片製程巔峰決戰中，誰會是最終勝利者？

 

先進製程架構將從FinFET轉進GAA，三星宣告會於3奈米改用GAA，台積電預計會在2奈米轉用GAA，英特爾則可能會在5奈米使用GAA。（圖片來源：Samsung官網）

在三星、台積電的先進製程角力中，高通大玩左右逢源，Snapdragon 875下單給三星5奈米，Snapdragon 885則會重回台積電5奈米。（圖片來源：Qualcomm官網）

 

三星率先進入GAA新架構

 

　　自英特爾（Intel）2012年在22奈米晶片引入「鰭式電晶體」（FinFET）架構後，全球晶片業者都在此基礎上進行研發，當今最先進的5奈米製程仍屬FinFET架構的製品。然而，當製程要微縮至3奈米時，FinFET卻會產生電流控制漏電的物理極限問題。

 

　　為解決這個問題，三星於2019年5月率先提出，擬在3奈米轉進全新架構「閘極全環」（Gate-All-Around，GAA），2020年第二季將加強採用極紫外光（EUV）微影技術的競爭優勢，把目光放在3奈米GAA製程的研發，並宣布量產時程為2021年。但其宿敵台積電卻表明，3奈米製程依然會使用FinFET架構，預計在2021年試產，2022年下半年量產。三星3奈米的公告量產時程比台積電為早，又採用更先進的GAA架構，技術上暫時領先。

 

　　同時，三星又積極殺價搶單，既憑5奈米製程奪得高通（Qualcomm）的5G手機處理器訂單，又以8奈米拿下英偉達（NVIDIA）的圖像處理器大單，似乎一下子逆轉形勢。因此，外界都在觀望台積電如何接招。

 

三星5奈米製程客戶群擴展緩慢，近期新增的訂單，無論是NVIDIA RTX 30系列的圖像處理器，抑或高通Snapdragon 750G手機處理器，只屬報價便宜的8奈米，可見客戶對三星5奈米製程信心度不足。（圖片來源：Samsung官網）

 

台積電製程藍圖全面公開

 

　　2020年8月，台積電終於出招，公開發表其先進製程部署藍圖。5奈米晶片已於4月如期投產，現正加速量產；2020年底將推出6奈米晶片；2021年會量產5奈米加強版N5P，較原先計劃提前一年；2022年會量產4奈米，同樣較原先公布提早一年；3奈米則會在2022年下半年大規模生產，與原本預期的時間相符。相比起三星的口號式製程規劃，台積電製程推進是按部就班循著既定計劃執行，量產時程非常清晰明確。

 

　　同時，台積電又公布了2奈米製程最新進展——坐落於台灣新竹的2奈米製程研發中心已在興建中，2奈米生產線亦正在當地尋找合適選址。儘管台積電未有透露2奈米的技術細節，只強調將會是全新架構，但外界相信這新架構正是GAA。

 

　　台積電因擁有較佳的生產良率與製程技術，故此只用FinFET架構也能進入3奈米製程；要到更細小的2奈米，才有需要轉換跑道至GAA。有消息指，台積電2奈米開發已離開尋找路徑階段（Pathfinding），進入交付研發階段，可望於2023年下半年作風險性試產。

 

台積電獲蘋果研發能量

 

　　根據市場觀察，台積電5奈米的生產良率已快速追上7奈米，加上5奈米加強版與4奈米都可提前一年量產，所以業界看好2奈米試產良率可達9成。至於三星，一直以來良率都受到詬病，據傳因5奈米良率不佳，高通需轉向台積電求援。最終，高通基於保險起見，雖然Snapdragon 875與X60仍下單給三星5奈米，但新一代Snapdragon 885卻已確定投入台積電5奈米的懷抱。

 

　　因此，即使三星能夠比台積電更早量產3奈米晶片，惟GAA屬全新架構，生產良率與性能未必能壓過台積電3奈米FinFET，再加上台積電搶先一步發表2奈米製程最新狀況，令三星在技術上彎道超車的意圖可能要落空了。

 

　　更有消息指，蘋果（Apple）已提前包下台積電2奈米的產能，並會與台積電合作議定相關的技術規格；換言之，台積電2奈米GAA已獲蘋果的大力支持與共同研發能量，進一步鞏固其先進製程的技術優勢。

 

台積電的2奈米研發與生產基地將落戶於台灣新竹寶山，計劃興建4座超大型晶圓廠。（圖片來源：台積電官網）

國際半導體產業協會（SEMI）剛公布的最新報告指出，2020年台灣半導體業的產值增長率為16.7%，總產值將高達新台幣3兆元（約8,000億港元）以上，超越韓國，躍居全球第二大，僅次於美國。（圖片來源：台積電官網）

 

晶片製程只是數字遊戲

 

　　在製程技術競賽上，全球最大半導體製造商英特爾（Intel）似乎已是吊車尾。可是英特爾強調，其奈米節點時程看似落後，惟實際性能卻未必遜於對手。Intel前一代14奈米的電晶體數量為44.67百萬顆，來到10奈米則增加到100.78百萬顆，增幅達2.26倍。相較之下，台積電7奈米的電晶體數量僅比前一代10奈米提高了1.6倍，達到91.2百萬顆，即是說英特爾10奈米的效能至少等同於台積電7奈米。

 

　　近年三星、台積電的新晶片均以製程數字來命名，令業界掀起一股追求更小製程數字的風潮。英特爾表明，不會參與這場數字遊戲，寧願堅守「摩爾定律」，採用最為嚴謹的節點命名，並保持每一代製程升級，電晶體數量都會是前一代的兩倍。

 

英特爾伺機隨時反攻

 

　　事實上，英特爾始終擁有深厚的技術根底，縱使製程研發遇挫，仍可另闢蹊徑來強化晶片效能。2020年9月3日，英特爾發表第11代Core-i處理器，採用10奈米加強版SuperFin製程，藉由增加FinFET鰭式電晶體架構中的「鰭」，帶來20%的效能提升，令其運算能力超越台積電7奈米晶片。

 

　　假如英特爾能夠重新調整其研發步伐，並下定決心擴大委外代工和調配產能，便可集中資源開發下一代5奈米GAA，再與三星、台積電在製程技術上一較高下。

 

英特爾共同創辦人戈登‧摩爾（Gordon Moore）在長期觀察半導體產業後指出，晶片上的電晶體密度每兩年會增加一倍，這為晶片製造業者提供了發展依據與目標，因而被稱為「摩爾定律」（Moore's law）。（圖片來源：台積電官網）

代號為「Tiger　Lake」的第11代Core-i處理器，採用英特爾10奈米加強版SuperFin製程，效能比之前的10奈米晶片提升20％。（圖片來源：Intel官網）

 

 

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