智东西（"大众年夜众号：zhidxcom）文 | 韦世玮
摩尔定律似一把离弦的箭，自1965年穿越了半个多世纪，掠过无数狼烟四起的芯片制程沙场，这次它又将稳稳地瞄准5nm制程赛的靶心。
回味上一场由台积电和三星搅起的7nm制程战局，战事尚未真正落下帷幕，然而在业界普遍看来胜负已分。
但芯片制程这片江湖从不缺刀光剑影与称霸的野心。前辈制程的纷争一波未平一波又起，台积电和三星这两位“宿敌”，正紧锣密鼓地预备新一轮5nm战事。而2019年，也就成了这两家接连喊话5nm制程战局的一年。
这厢三星刚公布技能路线图，谈流片、谈量产、谈互助；那厢台积电就紧接迎来试产阶段，秀良率、秀产能，你方唱罢我登场。
另一旁沉默许久的老势力英特尔也蠢蠢欲动，前些日子宣告它将在几年内重回7nm战局，并首次谈及5nm研发，欲抢下5nm赛局为数不多的“早鸟票”。
纵不雅观今天下大势，随着5G和AI技能的发展，以及大数据的爆炸式激增，未来新家当、新运用的打算需求和功耗也正等着5nm芯片战果的嗷嗷待哺，敦促着全体半导体家当链不断冲刺物理极限的天花板，火拼前辈制程给摩尔定律续命。
刀锋至此，台积电、三星、英特尔捋臂将拳，5nm战役即将一触即发。
故意思的是，5nm战事与以往有着些许不同，旁边场合排场胜利的关键成分正在悄然发生变革。
5nm前辈制程已不仅仅是代工厂商之间的战役，它亦是核心工艺和半导体材料走到极限的主要迁移转变节点。
那么，这些玩家为何要奋力拼杀5nm制程？目前它们的战局如何？若要拿下5nm制程的王座，它们又该从哪里撬开核心工艺与新材料的打破口？
这次，智东西将目光聚焦在5nm制程预热赛中，通过深度调查，探究芯片制程在演进背后的核心与关键。在阐发它们是如何刷新摩尔定律下限的同时，我们也试图从这场制程节点比拼的火光中窥见，这场战役将会对家当链的哪些环节带来颠覆性的影响。
一、5nm制程：摩尔定律发展的主要迁移转变点引得战火纷纭的5nm究竟能给行业带来什么？
一位海内头部芯片设计企业的技能专家见告智东西：“从行业最直不雅观的受益来讲，无非是让产品得到更高算力的同时，还能保持相同乃至更低的功耗，整体性能进一步加强。”他这种不雅观点也已成为芯片行业的共识。
这也与英特尔创始人之一，戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律息息相关。他认为，集成电路上可容纳的晶体管数量，每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。
当芯片制程演进到5nm，它晶体管的集成度和风雅化程度都要比以往更高，可容纳更繁芜的电路设计，并将更丰富的功能融入个中。
但从目前行业的普遍运用上看，许多产品用28nm、14nm，乃至10nm就已绰绰有余，再费劲花更高的本钱与精力来研发5nm制程，暂且看来便是个赔本的买卖。
部分业内人士认为，不是所有行业都对5nm有着强劲的需求，它在现阶段并非多数市场的刚需。
话虽如此，当我们把目光放至未来，随着5G和AI技能的发展，以及环球大数据的爆发式增长，5G智能终端、VR/AR产品、机器人、AI和超算等产品的成熟和运用，都将对芯片的性能、能耗和算力都有着更加严格的哀求。
从另一个维度来说，业内普遍认为，芯片这类硬件的发展也将催生出新的运用生态，或是对早已成熟的市场带来革命性的颠覆。
例如，当下因苹果AirPods而重新迎来第二次黄金时期的TWS（真无线立体声耳机）市场，各大厂商利用的蓝牙芯片制程尚未踏入7nm领域，大多聚拢在28nm至12nm中。
但随着市场需求倒逼着蓝牙芯片的发展，未来各家厂商为了能在更小的芯片中集成更多的功能与运用，也将逐渐推动蓝牙芯片朝着7nm乃至是5nm制程演进。
不可否认，5nm制程的演进是各项技能和家当逐步成熟、变革的必经之路，亦是根基。
▲半导体代工厂制程路线图
二、5nm制程战局三足鼎立随着前辈制程的不断演进，工艺研发的门槛越来越高，本钱与技能逐渐成为一座座制程演进的分水岭。
目前行业中布局5nm制程的玩家，紧张有台积电、三星和英特尔三足鼎立。个中，台积电和三星的对峙最为激烈，淡出赛局许久的英特尔则在一旁蓄势待发。
过去一年以来，5nm芯片试产、量产和良率等的不断开释，持续刺激着业界神经。
详细地说，这些玩家都在比拼些什么呢？
从现阶段玩家打出的牌面来看，它们紧张在拼技能路线、研发进度、工艺性能和客户订单这四个方面。
1、技能路线：台积电抢先，英特尔殿后
今年6月，台积电率先出击，将芯片代工操持路线图活着人面前缓缓铺开。
台积电的5nm研发节奏较快些，它已在今年三月进入了风险试产阶段，并预估于明年2月量产。
▲台积电公布的5nm工艺进展和技能特性
紧接着，在台积电公布后的一个月，三星的研发路线图也随之亮相。
6nm、5nm和4nm工艺将纷至沓来，三星表示5nm LPE（5nm Low Power Early）工艺将在今年内完成流片，并于明年上半年投入量产。
▲三星最新公布的芯片制程路线图
与10nm制程相爱相杀许久的英特尔，虽然没有对先前的7nm战局表现出太多的激情亲切，但在今年10月，它也终于抛出了未来四年的方案进程，第一次喊话5nm。
比较之下，英特尔的5nm制程离量产还要晚上几年，它也并未透露更多详细的韶光和信息，仅表示目前工艺研发进程可不雅观，若统统正常，将在2023年正式推出。
2、研发进度：台积电产能进度可不雅观
三星在10月尾发布的2019年Q3财报时提到，其5nm EUV工艺已进入流片阶段。
这家公司还走了一条生态联合的路线，在10月宣告自己将与ARM、新思科技（Synopsys）携手开拓一整套优化工具及IP，让芯片厂商在三星5nm工艺的根本上，快速打造基于ARM Herculues CPU核心的芯片。
台积电的研发进度则显得更加直接。据业内人士透露，目前台积电5nm的试产良率已经达到50%，且月产能也已从最初的4.5万片晶圆涨至8万片，险些翻了一番。
3、工艺性能：三星芯片功耗稍逊一成
实际上，三星的5nm LPE工艺沿用了7nm LPP（Low Power Plus）工艺的晶体管和SRAM，性能比较7nm增强了10%，逻辑效率提升25％，功耗也将降落20％。
另一方面，台积电总裁魏哲家曾表示，与自身的7nm工艺比较，其5nm晶体管密度将有80%的提升，运算速率也将提升20%，功耗则降落30%。
4、客户订单：三星默声，台积电确定两大客户
与自身的研发进度一样，对付目前拿到的5nm订单，三星除了确认已有客户外，并未放出更多讯息。
台积电的5nm良率虽还有较大提升空间，但一些大客户看到台积电势头渐涨的5nm工艺，也忍不住先疾足先得抢产能。
就在上个月，台积电官方谈到，自家首批5nm工艺已顺利拿下苹果和华为海思两大客户，将分别打造苹果A14芯片，以及华为新一代麒麟芯片。
5nm战局尚处于预热赛阶段，目前仍以台积电和三星的相互较劲为紧张看点，而拿到5nm制程入场券的英特尔，离真正踏入赛道还有较远一段间隔。
三、5nm制程之战的三大焦点5nm制程之战爆发，无疑是对摩尔定律的再一次困难推进。
它与以往节点最大的不同在于，5nm制程将是一场涉及代工厂、设备厂和材料厂等百口当链战局的大爆发，个中核心工艺、EUV设备还是半导体材料，都将走到极限。
而这，也成为了5nm制程的三大改造焦点：
1、核心工艺：FinFET与FD-SOI孰美？
从目前业内的芯片制造核心工艺来看，FinFET与FD-SOI是最主要的两项技能，摩尔定律在它们的根本上不断向前推进。
关于这两项工艺哪个更胜一筹，也一贯是业界辩论的焦点。
（1）FinFET：3D晶体管设计的主要迁移转变点
FinFET（Fin Field-Effect Transistor）又称鳍式场效晶体管，由加州大学伯克利分校胡正名教授发明，极大地推动了摩尔定律的发展。
作为芯片从平面器件转向3D器件布局的主冲要破口，FinFET的意义十分重大。
▲FinFET工艺构造特点
与以往的2D构造晶体管比较，FinFET工艺的特点在于，它将闸门设计成了像鱼鳍般的3D构造，把以往水平的芯片内部构造变垂直，把晶体厚度变薄。
这种设计，不仅能很好地接通和断开电路两侧的电流，大大降落了芯片泄电率高的问题，还大幅地缩短了晶体管之间的闸长。
与台积电原来的28nm HPM工艺比较，FinFET工艺的芯片栅极密度增加了两倍，且在同等功耗下的速率提升超过40%，同等频率下的功耗降落超过60%。
然而，FinFET的工艺制造过程较为繁芜，作为前辈工艺的本钱也较为昂贵。
据市场研究机构Gartner统计，设计28nm芯片的本钱约为3000万美元，而16nm或14nm芯片的均匀本钱约为8000万美元，7nm芯片则达到2.71亿美元。
对付现在业内的许多厂商来说，他们更乐意将成本投入在还有较长生命周期的28nm制程中。
（2）FD-SOI：加入绝缘体物质，优化运行速率与功耗
继FinFET工艺之后，FD-SOI工艺的技能上风和运用前景也逐步地受到了业界的关注，包括三星、格芯和索尼等在内的厂商都在逐渐加大对FD-SOI工艺的投入。
FD-SOI与FinFET最大的不同在于，FinFET工艺看重晶体管的优化设计，而FD-SOI则看重晶片底衬的设计。
▲FD-SOI工艺构造特点
从架构设计上看，FD-SOI为了降落晶体管之间的寄生电容，在硅晶体管之间加入了绝缘体物质。
与FinFET比较，FD-SOI的设计和制造不仅更加大略，还可在提高芯片运行速率的同时，降落芯片的运行功耗。
格芯曾公布数据显示，FD-SOI工艺的光刻层比FinFET工艺少了将近50％，16nm或14nm芯片的均匀本钱降落20%。
也便是说，若按格芯的数据标准来打算，用FD-SOI工艺制造的22nm芯片，其性能和功耗数据与用FinFET工艺制造的16nm或14nm芯片不相上下。
但这一工艺的运用也存在难点，FD-SOI的基片价格较为昂贵，纵不雅观当下半导系统编制造业，FinFET工艺在前辈制程设计中仍是主流。
（3）5nm以下工艺面临物理极限
FinFET与FD-SOI两大工艺各有千秋，但随着制程推进到5nm节点，工艺技能的发展又将面临一个新的分水岭。
在大多数业内人士看来，现阶段包括FinFET和FD-SOI在内的芯片工艺，都将在5nm制程之后失落效。
到底是在现有的工艺根本上进行改良，还是抛弃原有工艺，研发新工艺也成为了业界所关心的话题。
实在，学术界早已提出了一种全新的办理方案——GAA MCFET（多桥通道 FET）。
GAA MCFET工艺对芯片晶体管的架构都进行了全新的设计，它将芯片晶体管内部的硅通道全都用栅极材料包围，不仅能增加晶体管的密度，降落功耗，还可进一步增加沟道的缩放潜力，提高芯片性能。
但任何一项技能从学术界走向家当界还须要长期的研究与改良。未来，GAA MCFET是否能真的撑起5nm以下芯片制程演进的天花板，还须要等待技能与韶光的验证。
面对这一工艺节点，今年5月，三星宣告其在3nm将弃用FinFET工艺，转而采取GAA MCFET工艺技能。
台积电虽也宣告将在今年年底启动3nm晶圆厂培植，但关于3nm的技能细节，它却未曾过多表露。
2、光刻机设备：EUV光刻成5nm以下必备技能
实际上，在推进摩尔定律发展的过程中，不仅仅须要芯片核心工艺的创新研发，在制造设备和制造材料方面，也要作出改变。
个中，最为核心的制造设备当属光刻机。
▲ASML生产的第四代EUV光刻机
现阶段，大多数芯片厂商利用的是一种名为深紫外光（DUV，Deep Ultra Violet）的技能，波长193nm。
随着芯片制程的不断演进发展，晶体管的面积和密度愈发靠近物理极限，特殊是从7nm开始，DUV技能在制造芯片是将会产生严重的衍射征象，摩尔定律的发展从设备上就已面临瓶颈。
在这一趋势下，从上个世纪就开始研发的极紫外（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）技能又重新被业界寄于重望。
EUV是一种采取13.5nm长的极紫外光作为光源的光刻技能，对光照强度、能耗效率和精度等都有极高哀求。
虽然在7nm阶段，EUV还不是必备技能，但随着制程的推进，业界普遍认为它将是5nm以下制程的必备工具。
目前，环球仅有荷兰ASML唯一一家公司节制着高端光刻机的核心技能，可生产EUV光刻机。但EUV光刻机的本钱十分昂贵，每台售价高达1.2亿美元，险些是DUV光刻机价格的2倍。
3、半导体材料：光刻胶成摩尔定律主冲要破口
有了新的核心工艺和EUV光刻机就能万事大吉？并不是。
有业内人士提到，推进摩尔定律在5nm以下的发展，并不能纯挚依赖核心工艺的创新与EUV设备的加持。从材料角度来说，光刻胶等半导体材料的创新也是制程演进的关键所在。
今年7月1日，日韩之间的半导体材料大战爆发，韩国用于制造半导体和零部件设备的光刻胶、高纯度氟化氢和含氟聚酰亚胺三大半导体材料，均遭到日本的出口限定，对韩国部分主要的家当发展造成了不小的影响。
光刻胶则是这三类半导体材料中的重中之重。
在芯片制造过程中，曝光、显影和刻蚀等主要工艺步骤都与光刻胶有关，耗时占总工艺时长的40%至60%，本钱也占全体芯片制造本钱的35%。
不丢脸出，半导体材料之争也是一场硬实力的比拼。
那么，在芯片制程演进过程中，半导体材料运用有何不同？新旧材料的分水岭又在哪？
芬兰半导体材料公司Pibond的资深业务总监许庆良见告智东西，这紧张可分为有机光刻胶和无机光刻胶的两个利用阶段。
有机光刻胶紧张用于90nm到7nm的芯片制造中，但随着制程推进到5nm到3nm旁边时，将开始须要无机光刻胶。
这两者最大的差异在于碳物质。
如果在5nm至3nm旁边的芯片制造中连续采取有机光刻胶，那么，当光刻机将电路构造转印到感光材料上时，光刻胶被曝光的部分将会变得非常模糊，这会严重影响后续显影和刻蚀等工艺步骤的质量。
在他看来，5nm至3nm制程旁边不仅是光刻胶材料新旧交替的一个大节点，亦是芯片制程在5nm后续演进中的一个主冲要破口。
作为推进芯片制程发展的一大关键，新半导体材料是否能冲破摩尔定律的桎梏呢？
这个问题，许庆良并未给出明确的答案。但他思考了几秒后，笃定地说：“材料一定是半导体未来发展的关键。”
他谈到，美国曾有一位著名的半导体材料巨子表示，在未来半导体行业发展中，他将会把10%的本钱投入在设备和硬件部分，而剩下的90%则将投入在材料中。
“以是未来要让摩尔定律走下去，打破口一定是在材料，而不是设备。”许庆良说。
▲晶圆光刻工艺流程图
结语：摩尔定律不去世，制程之战不息不丢脸出，5nm所点燃的新一轮制程之战，不仅是一次制程的迁移转变点，也将是一场工艺、设备与材料的质的飞跃。
就目前看来，台积电和三星的5nm战局预热仍在紧张预备中，并在未来还有双方老对手英特尔意欲入局。虽然三星率先提出了推进3nm制程工艺的办理方案，但这是否是雨声大雨点个人们还不得而知。
与以往不同的是，这场制程之战的战火也将不再局限于代工厂或是芯片厂商之间的竞争，它亦将烧到更上游的半导体材料厂商、光刻机设备，乃至是学术界和家当界的新工艺研发中。
因此，决定这场制程降服负的，不再纯挚是设备与制程技能，随着工艺和材料都双双靠近极限点，能否最先实现工艺和材料的质变，也成为了芯片厂商们的胜利王牌。
那么，经历了5nm之后，制程之战的演进是否又会随着摩尔定律的缓慢发展而逐渐消亡？
倒也未必，由于在此之前，不管是学界还是业界都早已投入了巨大本钱，只为从中撬出一个新的打破口。只要摩尔定律未去世，制程之战的烽烟也将会延绵不息地通报下去。
摩尔定律从爆发冲刺到蹒跚提高，这场制程之战2.0所点燃的百口当链战局，是否能解脱摩尔定律的桎梏？让我们拭目以待。
