【创业24小时】2023年9月26日
06-18
晶圆代工厂之间的先进工艺竞争如火如荼，已经到了7nm，但部分代工厂却止步于此。
联电将停止12nm工艺研发，GlobalFoundries宣布无限期暂停7nm及晶圆代工厂。
下面进行先进工艺开发。
半导体行业一直在努力延续摩尔定律。
每 18 到 24 个月，集成电路的晶体管数量和性能就会增加一倍。
10nm及以下先进工艺的成本有多高？第二、第三大晶圆代工厂格罗方德(GlobalFoundries)和联华电子(UMC)已经放弃了发展的想法。
半导体行业一直遵循摩尔定律为指导，努力缩小线宽，以便在芯片上容纳更多的晶体管。
虽然晶圆代工的价格也因制程缩小而上涨，但更精密的制程技术不仅可以削减生产更多的芯片，还可以提高产品性能并降低功耗。
通过适当的良率控制，往往可以被追求极致产品性能的客户所采用。
随着经验的积累和设备摊销，将使当前先进工艺技术的成本不断下降，从而吸引更多新产品和新应用的推出。
然而，在物理极限下，先进工艺的微缩变得越来越困难。
技术难度的增加增加了晶圆代工厂的资本支出。
关键的光刻工艺是持续微缩的瓶颈，相关设备的成本也最高，使得投资的代工厂和客户数量减少。
晶圆代工厂最大的难点——光刻技术。
光刻技术采用紫外光作为光源，将光掩模上绘制的电路图案微投影到涂有光刻胶的晶圆上，然后通过曝光、显影和蚀刻去除光线。
电阻和其他工艺在晶圆上生产集成电路。
随着工艺线宽的缩小，掩模板变得更加精细，光源的波长也需要缩短以避免衍射效应。
过去，紫外光的波长已通过ArF气体激光器从nm进步到了nm。
原则上，ArF纳米曝光机可以生产的最小线宽为48nm。
随着浸没式光刻和多次曝光的结合，许多晶圆代工厂的制造工艺已经达到了7nm节点。
采用多重曝光技术只能实现一个方向的缩放，无法实现两个方向的缩放。
这会影响每单位面积可容纳的晶体管数量。
此外，所需掩模和工艺的数量也显着增加。
过去，随着制造工艺的缩小，每个芯片的成本也会降低，但现在情况已不再如此。
当工艺微图案变得更加复杂，曝光次数需要增加时，掩膜版的成本也会暴涨；根据eBeam Initiative的调查，7-10nm节点厂商平均达到的掩膜层数已达到76层，部分厂商甚至超过76层。
，这也意味着光掩模成本激增，到了7nm工艺节点，已经不再是普通中小IC设计厂商能够承受的了。
波长较短的极紫外光（EUV）已成为7nm以下工艺的另一种解决方案。
以三星引入EUV的7nm LPP工艺为例，掩模模块总数减少了约20%。
尽管昂贵的解决方案EUVEUV可以减少光掩模并减少生产周期时间和晶圆缺陷问题，但EUV设备价格昂贵。
ArF浸没式曝光机的价格约为5万美元至6万美元。
一台EUV曝光机的价格为1.2亿美元，这大大增加了晶圆代工厂的资本支出。
然而EUV的波长极短，能量很容易被材料吸收。
掩模必须重新设计为反射型，成本也比较高。
价格昂贵，EUV光源必须达到W和每小时单位输出（WPH）才能满足半导体制造商的最低量产要求。
目前，ASML已经超越了这一要求，但相对于目前的浸没式曝光机，可以达到每小时单位（WPH）的产量而言，还有很大的努力空间。
EUV本身仍存在掩膜、光刻胶等挑战需要克服。
因此，台积电目前的7nm工艺仍然采用i进行四重曝光（4P4E）。
预计第二代7nm工艺将在部分层采用EUV。
IC设计师和品牌商也面临着高昂的成本。
除了光掩模之外，随着最先进工艺的引入，IP许可和人员研发成本也在上升。
据EETAsia和Semico估计，一般SoC IP授权和人员成本约为1.5亿美元，而7nm将比10nm增加23%至1.84亿美元，5nm节点将达到200-2.5亿美元。
对于IC制造商和IC设计人员来说，能够负担得起7nm以下工艺的制造商越来越少。
从终端芯片的角度来看，我们可能更加意识到芯片成本的增加。
以每年配备最先进工艺芯片的苹果iPhone为例。
新款iPhone XS Max搭载了7nm工艺的A12 Bionic处理器，成本达到72美元，相对较高。
搭载10nm工艺的A11 Bionic 2018年价格上涨8%；而光芯片成本已经接近中端智能手机整体BOM成本80~USD。
智能手机的移动计算、服务器、图形和数据中心领域仍然受益于芯片微计算机计算性能的提高和功耗的降低。
然而，在成本也在上涨的情况下，并不是所有厂商都在拼命投资。
目前，苹果、三星、华为、NVIDIA、AMD等宣布产品将采用7nm的厂商，如果不是顶级智能手机品牌，都是重要的CPU/GPU厂商。
为了保持行业领先地位，他们对价格的敏感度也较低，拥有较大的产量，才能分摊光罩、设计和制造的成本；当客户群集中在少数时，非顶级晶圆代工厂将继续投资先进工艺。
如果后续产能无法填补，他们将面临极大的挑战。
巨大的财务风险，这也是联华电子和格罗方德停止这场纳米竞赛并优先考虑利润的原因。
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