台積電,英特爾,三星未來晶片的新製程路線圖對照

時程

最近又看到幾篇在討論英特爾和台積電的製程時間,有許多份寫得不差,但過於深入,我想撿其中重要的說。再加上之前英特爾(美股代碼:INTC),三星(美股代碼:SSNLF),和台積電(美股代碼:TSM)這三家公司公佈過的公開資料,為有興趣的投資人整理一下,寫成您看到的這篇短文。關於英特爾的進展,所有的人都很關心,這裡有英特爾的官方正式文件可參考。

台積電

未來晶片的新製程時間對比

20182019202020212022202320242025
台積電7奈米 5奈米,6奈米4奈米3奈米 (FinFET) 3奈米+ (FinFET)2奈米 (GAA)
三星8奈米5奈米 , 4奈米3奈米 (GAE) 3奈米 (GAA) 2奈米 (GAA)
英特爾Intel 10Intel 7Intel 4Intel 3Intel 20A
(2024年初)
Intel 18A
(2024年下半)

英特爾

請注意以下幾點:

  • 英特爾新任執行長基辛格今年上任後,推出了重返晶片代⼯的IDM 2.0計劃,又改了製程的命名規則。因為以前它的命名方式容易令人誤解(請參考下面的「電晶體密度比較」那個小節的表格比較表,您就暸解為什麼了),例如:
    • 在此之前
      • 英特爾的10奈米實際上等於台積電和三星的7奈米
      • 英特爾的7奈米實際上等於台積電和三星的5奈米
    • 現在的
      • Intel 7也就是英特爾的7奈米
      • Intel 4也就是英特爾的4奈米
      • Intel 3也就是英特爾的3奈米
      • Intel 20A也就是英特爾的2奈米;其中的A表示埃,10埃等於1奈米 。
      • Intel 18A也就是英特爾的2奈米+(2奈米加強版)
    • 其中Intel 4會在2023年上半年量產,Intel 3則會在2023年下半年量產。
  • 英特爾在4/24/2022公開宣布把未來所有先進製程計劃都提前,稱:
    • 2024年初就能生產20A(2奈米)
    • 2022年下半推出4奈米
    • 2023年推出3奈米
    • 2024年初推2奈米
    • 2024年下半推18A(1.8奈米)

三星

三星的3奈米時間,三星的3奈米雖已研發成功並進行過小部份的商業試產成功。但正式大量商業化量產時程,根據三星的官方說法,現在已經被延至2023年,也就是落後台積電一年;這將使三星的晶元代工業務受創嚴重,不利其和台積電和英特爾在未來先進製程上的競爭。

為什麼這個表很重要?

對比上面的三家廠商製程路線的時程表格:

  • 英特爾在2021年已經量產Intel 7,相當於台積電的7奈米,⽽台積電早就在2018年量產了,⼤致落後三年。
  • 2023年上半Intel 4將要量產,相當於台積電的4奈米,⽽台積電早就在2020年量產了,落後兩年半左右。
  • 到2023年,英特爾規劃量產Intel 3,相當於台積電的3奈米,⽽台積電則是在2022年量產了它的3奈米,此時英特爾⼤概落後⼀年。
  • ⽽到了2奈米的階段,英特爾計劃在2024年,也就是提前一年追上台積電的2奈米製程時程。這也意味著⼀年更新⼀代製程上的⼯藝,這是非常有難度的,台積電⼀般是兩年提升⼀代⼯藝,英特爾在良率⽅⾯仍有改進的空間,或仍有可能延誤。而且按過往英特爾在製程上的一再落後的習性,業界普遍不相信英特爾有能力辦到。

我之前在我先前的英特爾目前艱難的困境一文中強調過以下兩點:

  • 英特爾和台積電至少有兩個半導體製程世代的差距,「即使最佳,一切最順利的情況」,沒有4到5年也不可能達成。
  • 「先把先前落後台積電兩個世代的製程差距補起來,其它都是多談。」

注意:毫無意外! 在我發表完 我之前在我先前的英特爾目前艱難的困境一文中強調過以下兩點: 這篇文章後;2021 年 12 月 10 日。英特爾的執行長格爾辛格(Gelsinger)認為公司扭虧為盈至少需要五年時間,和我的看法所估計是一樣的(這也不是什麼秘密,產業界的內行人或華爾街較資深的半導體分析師也都這麼看)。

GAA電晶體技術導入

GAA(Gate All Around)是下一代的晶片製程的核心技術,大致而言,台積電是三家中最晚導入的,在2奈米才導入。以下就是三家廠商導入GAA的時程,以及導入的節點的對照表:

GAA名稱製程時程
英特爾RobbonFET20A2024
英特爾 RobbonFET 18A2025
台積電GAAFETN2/2奈米2025
三星MCBFET3GAE2022
三星 MCBFET 3GAP2023

電晶體密度比較

整體比較

到2021年底為止,以各家公司已公佈的數據為主。以下表格來自WikiChip,數值的單位為百萬個電晶體/平方公尺。

製程IBM台積電英特爾三星
22奈米16.50
16奈米/14奈米 28.8844.6733.32
10奈米 52.51100.7651.82
7奈米91.20~237.1895.08
5/4奈米171.30~200*126.89
3奈米292.21
2奈米(20A)333.33
*外界所估計的邏輯密度

英特爾

我們在前面「未來晶片的新製程時程對比表」那個小節曾說過英特爾以前的命名方式容易令人誤解,原因用這個表格比較表來解釋您就會暸解了:

  • 英特爾16奈米/14奈米的電晶體是44.67,約略等於台積電10奈米的52.51
  • 英特爾10奈米的電晶體是100.76,約略等於台積電7奈米的91.20
  • 英特爾7奈米的電晶體是237.18,約略等於台積電5/4奈米的171.30

讀者現在知道為什麼7-8年前開始,眼看著自己的晶片製程推進速度一直遭台積電和三星超越,而找出一番在當時和技術上確實言之成理的說詞「我們英特爾的16奈米/14奈米等於台積電的10奈米」,又過了三四年,說法又變成「我們英特爾的10奈米等於台積電的7奈米」,所以並沒有落後!請注意此時事實上約落後台積電1-1.5個世代。

但當英特爾的這套陳腔濫調在10年後的現在又被搬出來時,投資人受夠了。因為已經落後不只一代了,是落後2-2.5代了(晶片製程一代約差2-3年),再怎麼圓都說不過去了。

三星

三星的部份呢?三星的3奈米雖已研發成功並進行過小部份的商業試產成功。但從晶體管密度、功耗等關鍵指標看,三星的3奈米實際上與台積電的4奈米及英特爾的Intel 4(原英特爾7奈米)製程相當。

2奈米以下呢?

技術挑戰

比利時微電子研究中心(IMEC)表示摩爾定律不會終結,但要很多方面共同貢獻。IMEC已經提出1奈米以下至2埃米半導體製程技術和晶片設計路徑,延續摩爾定律。

這些努力包括:

  • 整體架構:FinFET器件,插板,原子通道器件
  • 新材料:使用鎢或鉬新材料,為 1 奈米(A10)製程和 4埃米製程、2 埃米製程結構製造相當於幾個原子長度的柵極。
  • 新一代的EUV極紫外線曝光機:艾司摩爾新一代的High-NA EUV曝光機導入,目前客戶正在安裝High-NA EUV曝光機原型設備,預計2024年會投入商用。相信曝光工具將把摩爾定律擴展到 1 奈米節點以下。
  • GAA架構:從2奈米開始,奈米片堆疊而成的GAA架構是最有可能的概念。IMEC開發的Forksheet架構,可將柵極擴展到超過1奈米製程。

其中的關鍵艾司摩爾新一代的EUV極紫外線曝光機,關於這家公司,建議您可以參考我的另一篇部落格文章《真正掐住台積電脖子的企業艾司摩爾(ASML)》的說明。

主要廠商的動作

目前1奈米以下的製程都尚在「很初期的階段」,屬於研究和探索的時期。請參考以下的整理:

廠商合作單位主要動態和進展
台積電麻省理工
2022年6 月將原3奈米製程的研發團隊轉為1.4奈米的研發團隊。
2021年5用宣佈以鉍⾦屬特性突破1奈米製程極限,下探⾄1奈米以下。
三星IBMIEDM 2021活動時,IBM與三星共同發表「垂直傳輸場效應電晶體」(V TFET) 晶片設計。將電晶體以垂直⽅式堆疊,並讓電流也垂直流通,使電晶體數量密度再次提⾼,更⼤幅提⾼電源使⽤效率,並突破 1 奈米製程的瓶頸。
英特爾2024下半年準備量產1.8奈米製程

良率的比較呢?

我在部落格另外寫了一篇關於先進製程和這三家良率的文章,請各位參考《台積電,三星,英特爾良率和先進製程的比較》這篇文章。

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在〈台積電,英特爾,三星未來晶片的新製程路線圖對照〉中有 7 則留言

    1. AAron,
      2奈米以下的製程技術,現在談言之過早,因為有不小的困難度(例如已逼近原子物理極限,GAA和現有製程技術會失效..等)。所以目前都還在探索的很初步階段。但我還是把三家公司的初步宣佈成果,加到原文的最後一段了。

  1. 大家都在看半導體廠的製程,很少分析開發/光罩成本。每進入一個新的世代,價錢都是等比上升的。現在能用得起台積電五奈米的已經沒有幾家了。滿好奇到哪個世代,就開始沒有成本效益了。

    1. Tony您好,
      的確晶元代工的價錢是”價錢都是等比上升的”,我上週上電視節目時有是到這點,也展示過兩張圖分別表示過晶元代工的
      “成本”,以及晶元代工的”利潤”,但很可惜電視台沒有播出來。

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