3nm晶片之爭:三星走到哪一步?

作者 : 張河勳,EE Times China

若依照台積電與三星之間在4nm製程上2倍良率的差距來計算,三星3nm晶片成本將翻倍,在如此高的成本壓力之下,三星3nm晶片恐將毫無競爭力…

在3nm晶片製程上,台積電(TSMC)和三星(Samsung)是唯二的「種子選手」。 由於在4/5nm製程上糟糕的良率和表現,三星失去了大客戶高通(Qualcomm)的旗艦SoC訂單,因此力圖在3nm晶片上拔得頭籌。今年6月,三星率先宣佈量產3nm晶片,不過一直被傳良率偏低。除了一家做礦機晶片的中國公司試水之外,大型半導體廠商還在觀望。 近日,有媒體援引知情人士透露,三星正在與5~6家無晶圓廠供應商客戶聯合開發先進晶片,最早將從2024年開始大量供應。據悉,三星將為Nvidia、高通、IBM和百度等客戶量產3nm晶片。不過,相較於台積電2023年大概率將利用3nm製程為蘋果(Apple) iPhone 15系列所搭載的A17晶片代工,三星3nm晶片似乎仍相對落後。那麼,三星3nm晶片真正良率及成本如何? 3nm晶片進展狀況 從一些公開的資訊來看,三星看似在3nm製程節點上先行一步,但實際生產良率也難盡如人意。據悉,三星電子3nm晶片首家客戶是來自中國磐矽半導體,後者據稱是一家專門生產比特幣挖礦機晶片的公司。 三星電子量產3nm晶片將使用GAA先進製程和製程,是首家將GAA製程落地的晶圓代工企業。GAA先進製程比現在主流的FinFET製程,可實現更小的尺寸和更低的功耗。不過,一直有消息稱,三星3nm先進製程,其良率不足以達到「大規模製造」的要求,更像是試營運,而不是全面的生產運作。除了PanSemi,很長時間都沒有其他明確的企業訂單。 此次三星將利用3nm技術為Nvidia生產GPU,為IBM生產CPU,為高通生產智慧型手機應用處理器,為百度生產雲資料中心使用的人工智慧晶片。而在未來的技術路線發展上,三星電子計畫在2024年推出第二代3nm製程技術的半導體晶片(SF3)。三星電子表示,其第二代3nm晶片的電晶體將比第一代3nm晶片小20%,這將為智慧型手機、個人電腦、端雲伺服器和穿戴式裝置帶來更小、更節能的晶片。 由此可見,儘管三星率先宣佈3nm技術「量產」,但其代工計畫顯然滯後於台積電。值得一提的是,三星還計畫積極爭取美國境內晶圓代工市場。除了在德州奧斯丁的工廠,目前還計畫在鄰近泰勒市興建全新工廠,為最新3nm製程技術提供代工量產資源,預計在2024年開始運作,這也是三星在2027年將產能提高兩倍以上的目標計畫的一部分。 同時,三星也有意透過新建工廠以獲取美國超過520億美元補貼的「晶片法案」政策補貼,同時也在一定程度上就近配套美國本土客戶晶片代工,以及滿足供應來源地分散化的供應鏈安全的需求。 三星3nm GAA 製程良率僅20% 三星表示,與最初使用FinFET的5nm製程相比,第一代3nm GAA製程節點在功耗、性能和面積(PPA)方面都有不同程度的改善,面積減少16%,性能提高23%,功耗降低45%。到第二代3nm晶片時,面積減小了35%,性能提高了30%,功耗降低了50%。 不過,根據ctee的報告,與之前的4/5nm製程一樣,三星在3nm GAA製程的生產中也遇到了挫折,良率只有20%。如果3nm技術良率低的問題一直不能得到解決的話,那麼三星將在勁敵台積電失去競爭力,或將再一次坐視台積電在3nm上形成壟斷地位。 根據外媒報導,為了克服生產過程中遇到的諸多障礙,三星選擇與美國Silicon Frontline Technology合作,協助其提高3nm GAA製程的良率。根據Silicon Frontline Technology官網資訊,該公司位於加州聖約瑟,為佈局後驗證提供有保證的準確和有保證的快速電阻、電容、ESD 和熱分析,其產品已被70多家客戶使用,其中包括全球前25家半導體供應商中的12家,得到領先代工廠的認可和使用,並已用於500多種設計中。而且,客戶已經使用我們的技術解決了10nm、14nm、28nm、40nm、ADC、Serdes、敏感類比電路、影像感測器、記憶體、客製數位設計和電源設備的問題。 靜電放電(ESD)是晶圓生產過程中產生缺陷的主要原因,也是三星3nmGAA 技術的良率過低的重要原因之一。而Silicon Frontline Technology已經藉由水質和靜電放電預防技術降低生產過程中的缺陷,以提高晶圓的生產良率。雖然三星號稱已經透過整合其合作夥伴使用的技術獲得了積極成果,但實際成果還需要在未來幾個月內持續觀察。 不過,正是三星在之前4/5nm晶片上的表現,讓更多客戶轉向台積電。例如,近日台積電取代三星,成功拿下特斯拉(Tesla)輔助駕駛晶片大單。在此之前,特斯拉的主要訂單集中在三星,如特斯拉前一代輔助駕駛晶片採用的14nm技術主要由三星打造。如果三星不能儘快在3nm晶片上有所建樹,那麼其將失去更多,這也將是對其最嚴峻的考驗。 三星3nm代工成本 除了技術進展和代工計畫之外,3nm技術代工成本也是很多企業關注的重點。 從公開的性能指標來看,三星3nm晶片表現還不錯,但如果良率偏低,沒辦法大規模量產,勢必會抬高代工成本。毫無疑問,更先進的製程意味著更高的成本。據了解台積電採用3nm製程的12吋晶圓片單價已突破2萬美元,比7nm製程的價格高一倍,比5nm製程也有25%的漲幅。 今年2月,有傳言稱三星4nm製程的良率僅35%,這意味著從晶圓上切割下來的晶片裸片(die),只有35%可以透過品質控制。相比之下,台積電4nm製程的良率可以達到70%。也就是說,在所有條件相同的情況下,台積電在同一時間製造的晶片數量是三星的兩倍。 目前三星3nm製程的代工價格沒有相關的資訊,如果依照台積電與三星之間在4nm製程上2倍良率的差距來計算,那麼三星3nm晶片成本將翻倍,達到4萬美元。在如此高成本壓力之下,三星3nm晶片將毫無競爭力。 在代工業務方面,目前三星的市佔遠遠落後台積電,後者佔據著全球市場50%以上的份額。然而,未來三星在3nm技術並非沒有更多機會,如果其3nm製程計畫能如期完成,那麼將吸引更多的潛在客戶,畢竟任何沒有企業希望將技術綁定在單一的供應商手中,而三星也將在這些企業分散供應鏈風險、降低代工成本的訴求下獲得更多的機會。 在3nm及以下晶片技術上,三星電子可謂雄心勃勃。10月3日,三星電子在舊金山首次披露未來技術藍圖,計畫在2023年推出第二代3nm製程,該製程在性能上將優於第一代,2025年開始量產2nm,進一步要在2027年推出1.4nm製程。但如果三星不能在良率和成本上取得更大的突破,僅在目標計畫上作出一些激進的計畫,特別是不能將先進晶片製程上的投資轉化成實實在在的現金流,可能也無法走太遠。 本文原刊登於EE Times China網站        

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