三星技术论坛全面解密：3nm抢赢台积电、17nm取代28nm、特色工艺转进FinFET
来源:问芯Voice发布时间:2021-10-09577浏览
询问 AI2021 年三星 Foundry 技术论坛中国场次中，针对先进工艺、成熟工艺、先进封装、中国半导体市场机遇、中国生态合作伙伴等多个角度，详细全面解读三星 Foundry 策略，《问芯Voice》也整理九大重点如下：
宋喆燮也分析这两年全球严重缺芯的三大原因：
第一，新冠疫情加快全球数字化社会改变
带动在家办公、线上教育、线上娱乐、视频会议、购物带动需求 HPC、Tablet、TV 的增长带动服务器、存储、网络、通讯芯片需求出现爆发性增长，以及疫情防控带动MCU、模拟芯片、传感器的需求大增加。
第二，大数据时代使得芯片需求大幅增长
全球晶圆代工市场规模在 2019 年约 700 亿美元，2021 年已经超过 1000 亿美元，主要是 HPC 和 5G 芯片市场的高速成长，以及 AIOT 和汽车电子等驱动半导体市场前进。
第三，地缘政治政策不确定性增加，提前备货成为新常态
产能扩充不容易，且先进工艺技术需要巨额投资，一座新晶圆厂开工到量产需要2～3年。近年，全球各地自然灾害包括火灾、停电、停水、地震频繁发生，严重影响到半导体生产链的稳定性。
针对先进工艺上的需求上，今年 14nm 和以下的先进工艺需求中，中国市场占比不到 20%，预计 2024 年会超过 30%，到了 2030 年则将超过 50%。
因此，三星在这次的 Foundry 技术论坛中，也详细介绍先进工艺的进展，以及成熟工艺技术的布局。
先进工艺技术：2nm/3nm时程揭露
在先进工艺技术上，三星技术开发部门执行副总 Gitae Jeong 表示，半导体线宽微缩趋势遭遇许多技术上的困难导致进度放缓，眼前鳍式场效电晶体FinFET架构再度面临微缩限制，因此需要一个更开创性的技术来挑战极限，这也是三星积极开发 Gate All Around FET（GAA）架构，并且尽快在 3nm 工艺技术上导入多桥通道场效晶体管Multi-Bridge-Channel FET（MBCFET）技术最关键的原因。
Jeong 近一步表示，在 2022 年，三星会是世界上第一家量产 GAA 技术架构的半导体厂，第一个 3GAE（3nm Gate-All-Around Early）技术预计 2022 年量产。
据了解，2022 年上半量产的 3GAE 是三星的第一个 3nm 工艺技术版本，应该不会大量使用在太多产品上; 2023 年量产的第二个版本 3nm 会是基于 MBCFET 的 3GAP（3nm gate-all-around plus），这才会是高性能版本。
同时，三星也首度透露 2nm工艺技术时程，GAA MBCFET 架构也会使用在2nm工艺技术，预计 2025 年量产。
再者，三星也指出，研发中的 2nm 工艺技术 2GAP MBCFET，相较于 3GAP 多一层，共四层 nanosheet。
与劲敌台积电相比，台积电沿用 FinFET 工艺的 3nm 技术会在 2022 年下半量产，对比三星的量产时程，三星的 3nm 硬是要比台积电早半年。
三星进一步表示，多桥通道场效晶体管 MBCFET 相较于 FinFET 有 45% 面积微缩，且更为低功耗，并且把 PPA（性能、功耗、面积）发展至极致化，协助全球客户开启 AI、HPC、5G 芯片技术需求全新世代。
再者，三星比较 3nm GAA 与 4nm LPE FinFET 工艺的 SRAM，得出性能增加 15%、功耗下降 25%、面积减少 25% 结论。
成熟工艺全面推进至FinFET
成熟制程方面，Specialty PA Team 副总 YK Hong 强调全面提供 FinFET 技术，尤其是 14nm 5G RF 平台已经具备主导性地位，且逐步发展成为 8nm RF 平台。
三星的 14nm RF 工艺至今年上半年已经出货 70 万片。挟持 14nm RF 工艺的成熟，针对下一阶段的 8nm RF工艺，目前已经有 PDK 1.0 版本，预计很快进入量产，初期会应用在 5G 毫米波产品上。
再者，三星也利用 3D FinFET 架构开发先进的特殊工艺技术。
其中，三星的全新 17LPV 工艺结合 28nm BEOL 后端工序，以及 14nm FEOL 前端工序，也就是在 28nm 节点的基础上，加入14nm FinFET立体晶体管。17nm LPV 工艺相比传统 28nm，面积缩小 43％、性能提升 39％。
三星更宣布第一个 17LPV 工艺产品会是图像信号处理器 ISP。
整体来看，三星推出的 17LPV 工艺，是针对目前仍在使用平面28nm 工艺，但有意愿转进 14nm FinFET 技术的客户而设计的工艺节点。17LPV 将结合14nm FEOL，有效地将14nm FinFET 晶体管与28nm BEOL 进行连接，客户可以获得FinFET 设计的性能和功率优势。
中国半导体市场机遇
三星指出，过去 15 年，中国半导体市场总规模成长 5 倍，年复合成长率 11%，导致中国对于芯片需求不断增加。
另外，中国芯片设计公司数量也不断增加，2010 年家数不到 600 家，2020 年家数超过 2200 多家，成长四倍。根据中国半导体协会统计，过去十年中国设计公司年复合成长率达到 22%，远高于全球平均成长率 7.4%。
中国半导体市场加速成长也是拜资本推动所赐。2019 年科创版开通以来，上市半导体企业的数量从 2019 年 18 家、2020 年 32 家，今年已经超过 60 家。再者，去年和今年的融资数量都超过 400 起，60% 投资于芯片设计行业。
对标台积电延续摩尔定律寿命，近几年皆大力强调先进封装技术的加大力度投资。三星也提出 2.5D I-cube 封装技术，以及 3D X-cube 封装技术，目前已经有几家中国客户成功导入量产。
三星的I-Cube 封装技术是一种异质整合技术，可将一个或多个逻辑芯片如CPU、GPU 等，以及多个存储芯片如 HBM 整合连结放置在硅中介层 Interposer 顶部，进一步使多个芯片为单个元件工作。根据三星之前公布的I-Cube 4 封装芯片中，包含了4 个HBM 和一个逻辑晶片，三星也将陆续有搭载6 个、8 个HBM 技术问世。
宋喆燮细数三星 Foundry 一路上在技术领域的突破，强调多个第一：
再者，三星强调，为了突破高端芯片，除了先进工艺，也提供设计、制造、封装一条龙服务。
全球“缺芯”的原因和产业链版图重塑
全球第一个 3nm GAA 工艺将于 2022 年上半年实现
2nm 工艺 2025 年量产
特色工艺全面进入 FinFET 技术
28nm 客户转进全新 17nm 工艺
14nm RF 平台转进 8nm RF 工艺
先进封装 2.5D I-cube 封装技术和 3D X-cube 封装技术
三星的中国本土生态伙伴
中国半导体市场的机遇
宋喆燮也分析这两年全球严重缺芯的三大原因：
第一，新冠疫情加快全球数字化社会改变
带动在家办公、线上教育、线上娱乐、视频会议、购物带动需求 HPC、Tablet、TV 的增长带动服务器、存储、网络、通讯芯片需求出现爆发性增长，以及疫情防控带动MCU、模拟芯片、传感器的需求大增加。
第二，大数据时代使得芯片需求大幅增长
全球晶圆代工市场规模在 2019 年约 700 亿美元，2021 年已经超过 1000 亿美元，主要是 HPC 和 5G 芯片市场的高速成长，以及 AIOT 和汽车电子等驱动半导体市场前进。
第三，地缘政治政策不确定性增加，提前备货成为新常态
产能扩充不容易，且先进工艺技术需要巨额投资，一座新晶圆厂开工到量产需要2～3年。近年，全球各地自然灾害包括火灾、停电、停水、地震频繁发生，严重影响到半导体生产链的稳定性。
针对先进工艺上的需求上，今年 14nm 和以下的先进工艺需求中，中国市场占比不到 20%，预计 2024 年会超过 30%，到了 2030 年则将超过 50%。
因此，三星在这次的 Foundry 技术论坛中，也详细介绍先进工艺的进展，以及成熟工艺技术的布局。
先进工艺技术：2nm/3nm时程揭露
在先进工艺技术上，三星技术开发部门执行副总 Gitae Jeong 表示，半导体线宽微缩趋势遭遇许多技术上的困难导致进度放缓，眼前鳍式场效电晶体FinFET架构再度面临微缩限制，因此需要一个更开创性的技术来挑战极限，这也是三星积极开发 Gate All Around FET（GAA）架构，并且尽快在 3nm 工艺技术上导入多桥通道场效晶体管Multi-Bridge-Channel FET（MBCFET）技术最关键的原因。
Jeong 近一步表示，在 2022 年，三星会是世界上第一家量产 GAA 技术架构的半导体厂，第一个 3GAE（3nm Gate-All-Around Early）技术预计 2022 年量产。
据了解，2022 年上半量产的 3GAE 是三星的第一个 3nm 工艺技术版本，应该不会大量使用在太多产品上; 2023 年量产的第二个版本 3nm 会是基于 MBCFET 的 3GAP（3nm gate-all-around plus），这才会是高性能版本。
同时，三星也首度透露 2nm工艺技术时程，GAA MBCFET 架构也会使用在2nm工艺技术，预计 2025 年量产。
再者，三星也指出，研发中的 2nm 工艺技术 2GAP MBCFET，相较于 3GAP 多一层，共四层 nanosheet。
与劲敌台积电相比，台积电沿用 FinFET 工艺的 3nm 技术会在 2022 年下半量产，对比三星的量产时程，三星的 3nm 硬是要比台积电早半年。
三星进一步表示，多桥通道场效晶体管 MBCFET 相较于 FinFET 有 45% 面积微缩，且更为低功耗，并且把 PPA（性能、功耗、面积）发展至极致化，协助全球客户开启 AI、HPC、5G 芯片技术需求全新世代。
再者，三星比较 3nm GAA 与 4nm LPE FinFET 工艺的 SRAM，得出性能增加 15%、功耗下降 25%、面积减少 25% 结论。
成熟工艺全面推进至FinFET
成熟制程方面，Specialty PA Team 副总 YK Hong 强调全面提供 FinFET 技术，尤其是 14nm 5G RF 平台已经具备主导性地位，且逐步发展成为 8nm RF 平台。
三星的 14nm RF 工艺至今年上半年已经出货 70 万片。挟持 14nm RF 工艺的成熟，针对下一阶段的 8nm RF工艺，目前已经有 PDK 1.0 版本，预计很快进入量产，初期会应用在 5G 毫米波产品上。
再者，三星也利用 3D FinFET 架构开发先进的特殊工艺技术。
其中，三星的全新 17LPV 工艺结合 28nm BEOL 后端工序，以及 14nm FEOL 前端工序，也就是在 28nm 节点的基础上，加入14nm FinFET立体晶体管。17nm LPV 工艺相比传统 28nm，面积缩小 43％、性能提升 39％。
三星更宣布第一个 17LPV 工艺产品会是图像信号处理器 ISP。
整体来看，三星推出的 17LPV 工艺，是针对目前仍在使用平面28nm 工艺，但有意愿转进 14nm FinFET 技术的客户而设计的工艺节点。17LPV 将结合14nm FEOL，有效地将14nm FinFET 晶体管与28nm BEOL 进行连接，客户可以获得FinFET 设计的性能和功率优势。
中国半导体市场机遇
三星指出，过去 15 年，中国半导体市场总规模成长 5 倍，年复合成长率 11%，导致中国对于芯片需求不断增加。
另外，中国芯片设计公司数量也不断增加，2010 年家数不到 600 家，2020 年家数超过 2200 多家，成长四倍。根据中国半导体协会统计，过去十年中国设计公司年复合成长率达到 22%，远高于全球平均成长率 7.4%。
中国半导体市场加速成长也是拜资本推动所赐。2019 年科创版开通以来，上市半导体企业的数量从 2019 年 18 家、2020 年 32 家，今年已经超过 60 家。再者，去年和今年的融资数量都超过 400 起，60% 投资于芯片设计行业。
对标台积电延续摩尔定律寿命，近几年皆大力强调先进封装技术的加大力度投资。三星也提出 2.5D I-cube 封装技术，以及 3D X-cube 封装技术，目前已经有几家中国客户成功导入量产。
三星的I-Cube 封装技术是一种异质整合技术，可将一个或多个逻辑芯片如CPU、GPU 等，以及多个存储芯片如 HBM 整合连结放置在硅中介层 Interposer 顶部，进一步使多个芯片为单个元件工作。根据三星之前公布的I-Cube 4 封装芯片中，包含了4 个HBM 和一个逻辑晶片，三星也将陆续有搭载6 个、8 个HBM 技术问世。
宋喆燮细数三星 Foundry 一路上在技术领域的突破，强调多个第一：
2010 年第一家开始量产 32/28nm High-K Metal Gate 工艺
2015 年第一家开始 14nm FinFET 工艺量产
2016 年率先量产 10nm 工艺技术
2018 年第一家导入 EUV FinFET 工艺技术
现在：正在研发 3nm 先进工艺，采用全新的晶体管结构，预估明年量产。
三星 14nm 工艺：14nm RF 出货量超过 5 亿颗以上，适合高端 RF AIOT汽车、消费类 SoC。
三星 8nm 工艺：平衡性能和成本，适合高性能RF、高性价比 GPU、HPC、AP、汽车 SoC
三星 5nm/4nm 工艺：适合高性能 5G SoC、CPU、GPC、AI、汽车 SoC 等。
三星 3nm GAA 工艺：比三星自己的 5nm 工艺性能提升 33%、功耗降低 53%、面积减少 36% 左右。
再者，三星强调，为了突破高端芯片，除了先进工艺，也提供设计、制造、封装一条龙服务。
新闻来源：问芯Voice，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。
