台積電,英特爾,三星,中芯,Rapidus未來晶片的新製程路線圖對照表

Schedule

前言

需要有一張比較表

時常看到許多在討論中芯(美股代碼:SIUIF),Rapidus(未上市),英特爾(美股代碼:INTC),三星(美股代碼:SSNLF),和台積電(美股代碼:TSM)這五家公司的先進製程的時間,但很少有人把這幾家公司的時程整合在一起較好,也就是需要有一張比較表較為清楚,這就是我寫這篇文章的初衷。

資料來源

我的資料來源主要是:

  • 這五家公司公佈過的公開資料。
  • 世界各地媒體公佈的資料。

更新頻率

由於全球各地有數萬名讀者在追蹤您現在正在讀的這篇文章,因此我會儘可能地隨時進行更新。

本文的姊妹貼文

會讀這篇文章的讀者,我猜測您應該會對您現在讀到的這篇貼文的姊妹貼文會有極高的興趣,歡迎您點選《台積電,英特爾,三星,中芯,Rapidus良率和先進製程的比較》,《台積電晶圓代工的成本,價碼,研發成本》和《台積電目前和未來共有多少晶圓廠和封裝測試廠?

我的書中有關台積電的內容

我在最近的兩本書裡,都討論過台積電(美股代碼:TSM)這家公司;包括了:

在《超級成長股投資法則》一書中:

  • 2-4節,整個小節專門介紹介紹台積電這家公司
  • 3-3節,分析科技公司的業務發展以掌握關鍵產業的脈動

在《10倍股法則》一書中:

  • 3-2節,整個小節專門介紹包括台積電和全球的半導體供應鏈

未來晶片的新製程時間對比

未來的重要節點時程對比

202320242025202620272028
台積電3奈米+ (FinFET)2奈米 (GAA) 試產2奈米 (GAA) 1.6奈米 (GAA) 1.4奈米 (GAA)
三星3奈米+ (GAA) 2奈米 (GAA) 1.4奈米
英特爾Intel 3(2023下半年) Intel宣布,20A正式取消1.4奈米(Intel 14A) 1.0奈米(Intel 10A)
中芯7奈米 5奈米
Rapidus2奈米

過去的主要節點的時程對比

201820192020202120222023
台積電7奈米 5奈米,6奈米4奈米3奈米 (FinFET) 3奈米+ (FinFET)
三星8奈米5奈米 , 4奈米3奈米 (GAE) 3奈米+ (GAA)
英特爾Intel 10Intel 7Intel 4(2022下半年), Intel 18A試產Intel 3(2023下半年)

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4奈米,採用Enhanced SuperFin
      • Intel 4也就是英特爾的3奈米(採用GAE)
      • Intel 3也就是英特爾的3奈米改良版(採用GAA)
      • 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:
      • 2022年下半推出4奈米
    • 2023年推出3奈米
      • 2024年初就能生產20A(2奈米)
      • 2024年下半推18A(1.8奈米)
      • 2026年將推出14A(1.4奈米)
      • 2027年將推出10A(1.0奈米)

三星

三星的3奈米時間:

  • 三星的3奈米的第一個初步版本已研發成功,並已經在2022年6月底正式宣布進行商業量產。
  • 但3奈米改良版(表中三星的3奈米+)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。

台積電

雖然之前一再被傳出碰到技術上的問題和良率上的困擾,但台積電的3奈米的商業化量產時間已經被台積電官方再度確認是2022年下半年。

台積電執行長魏哲家在2023年10月曾表示,依據台積電內部的評估,台積電最新上市的 3 奈米延伸款式,在功率、效能和密度方面,可以和英特爾的 18A 旗鼓相當。

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 5310652
7奈米9718095
5奈米173300127
3奈米290520170
2奈米(20A)333.33490
*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。

但大家要特別注意的是:市場上對英特爾的時程和良率多會先抱持懷疑的看法,原因是英特爾先前的記錄實在不佳───英特爾的14奈米製程由宣布成功試產到真正客戶能在市場上買到,前後被延遲了7年 (2014–2020),這才是英特爾現在最大的問題

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。

中芯

「日經新聞」先前報導,半導體調查公司TechanaLye社長清水洋治說,中芯的實力只落後台積電3年,尤其中芯採用7奈米技術,卻能和台積電5奈米性能同等,代表陸製半導體的設計能力已進一步提升。

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
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,英特爾,三星,中芯,Rapidus良率和先進製程的比較》這篇文章。

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