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3nm良率提至60%以上 三星芯片业务迎“逆风翻盘”?

近日,有消息称台积电3纳米良率仅55%,因此台积电将不会按照标准晶圆价格向苹果收费,苹果仅向台积电支付可用芯片的费用。

与此同时,作为千年老二的三星却在先进制程方面频频传来好消息。有消息称,三星4nm良率水平追平台积电,3nm良率提至60%以上。

此前还传出消息,高通骁龙8系列处理器极有可能再次采用三星代工,甚至三星4nm工艺已经获得AMD的订单。

一直以来总是陷入良率滑铁卢的三星,将迎来逆风翻盘的机会?

来之不易的光刻胶

据悉,从2019年起,三星便被市场规模不足半导体整体规模1%的光刻胶扼住了喉咙,也成为了其良率出现问题的关键原因。

中国科学院微电子所副所长曹立强向《中国电子报》记者表示,光刻胶是芯片光刻所采用的关键材料之一,虽然光刻胶最后并不会留在芯片内部,但是光刻胶的纯度会影响图形的解析度,继而影响器件性能。因此,光刻胶的质量、纯度,成为了决定芯片良率的关键。

据了解,2019年时,韩国有80%的光刻胶从日本进口,依赖度非常高。业内专家曾向《中国电子报》记者表示,之所以三星对日本光刻胶十分依赖,是因为10nm以下制程的芯片,基本上只能采用日本的光刻胶。然而,2019年7月,日本政府宣布对出口韩国的半导体工业材料加强审查和管控,并将韩国排除在贸易白色清单以外,而光刻胶也在这次管控的名单之列,无疑是给了三星沉重一击。业内知情人士曾向《中国电子报》记者披露,三星第一代3nm工艺制程良率仅有10%~20%左右,就是由于三星受到日本光刻胶出口限制,导致所用的光刻胶材料纯度不够,造成芯片良率极低。

也因此,从2020年量产5nm起,三星频频被爆良率低于50%,甚至4nm良率被爆仅为35%,使得此前搭载三星4nm工艺的高通骁龙8 Gen 1也中途换成了台积电4nm工艺。甚至抢先台积电量产的三星3nm工艺制程,起初良率也仅仅只有10%~20%。

然而,此前频频陷入良率困境的三星,却在近期传来了积极进展。消息称,三星4nm、3nm工艺节点的芯片生产良率分别提高到75%和60%以上。业内多位专家猜测,这或许与三星重新采用日本光刻胶有密切的关系。

今年3月,日本政府决定解除限制向韩出口包含光刻胶在内的三种关键半导体材料的措施,将韩日出口贸易恢复至2019年7月之前的状态,三星芯片良率不断提升的喜讯也随之而来。

GAA工艺日渐成熟

三星在先进制程方面向来是当仁不让的态度,对于新技术的采用也十分大胆。三星不仅在7nm的工艺中,先台积电一步采用EUV光刻技术,也是业内第一家切入GAA工艺的芯片厂商。而GAA工艺技术的日渐成熟,也成为三星良率提升的关键。

北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超认为,短沟道效应是造成先进工艺出现功耗问题进而导致良率低的主要原因之一,也成为先进制程发展中最大的阻碍。而短沟道效应的产生与芯片所采用的FinFET本身的结构有关。FinFET所采用的是三面栅的结构,并非四面环绕式的结构,其中一个方向没有栅极的包裹。随着芯片制程的不断减小,FinFET三面栅的结构对于漏电的控制能力也在逐渐减弱,造成芯片出现功耗问题。

也因此,GAA架构被视为FinFET架构最有效的替代方式之一。复旦大学微电子学院副院长周鹏表示,相较于三面围栅的FinFET结构,GAA技术的四面环栅结构可以更好地抑制漏电流的形成,并增大驱动电流,进而更有利于实现性能和功耗的平衡。因此,GAA技术在5nm以下制程中,更受到业界的认可和青睐。

GAA架构能够在更低的电压下正常工作(来源:三星官网)

芯谋研究研究总监宋长庚告诉《中国电子报》记者,先前,三星在存储器方面已经用到了GAA的晶体管,可以看出三星在GAA技术方面已经积累了一定的经验。

在3nm制程中,三星率先采用GAA工艺架构。第一个吃螃蟹的人,不一定能吃到螃蟹黄。采用新技术,也意味着要面临新的风险。Gartner研究副总裁盛陵海表示,在引入GAA架构之后,在很多技术方面需要进行重新考量,需要花费更多成本来进行研发,这也容易造成芯片成本更高,性能也不一定比采用FinFET工艺结构的芯片更佳。因此,三星第一批采用GAA结构打造的3nm芯片,并没有如愿实现高良率。

然而,先人一步采用新技术,也意味着比竞争对手有更多的技术磨合经验。三星在GAA应用于先进制程方面,拥有率先量产、率先磨合的先发优势。因此,随着时间的推移,三星搭载GAA工艺芯片的良率也在不断提升。三星半导体业务总裁Kyung Kye-hyun曾公开表示,目前,客户对三星的GAA晶体管技术很满意,甚至搭载GAA工艺的2nm芯片的性能将超越台积电,成为客户的首选。

可见,随着三星GAA工艺的日渐成熟,三星的信心也在不断增加。GAA工艺也帮助三星有效降低了短沟道效应带来的功耗问题,良率也开始逐步提升。

谁是赢家市场说了算

如今,一路高歌的三星,对未来可谓是信心满满,甚至对即将量产的2nm制程也充满了信心,并将其视为超越台积电的关键制程。那么,三星是否真的迎来了逆风翻盘的机会?事实上,一切都还是未知。

业内专家莫大康曾向《中国电子报》记者强调,台积电、三星、英特尔这三家先进制程玩家都具备充足的资金储备以及研发能力,也均有实力继续沿着摩尔定律量产更先进制程的芯片。三大家最主要的差距,在于能否得到市场的青睐。目前来看,台积电的客户粘性最强,这对于三星和英特尔而言,是未来面临的巨大挑战之一。

数据来源:台积电、三星、英特尔年报

同时,AMD CEO苏姿丰近日在媒体采访中,被问到是否将在3nm采用三星代工的产品时,苏姿丰反问:你相信韩国媒体吗?可见,未来AMD是否与三星合作,还未可知。此外,也有多家媒体爆料称,如今三星3nm先进工艺制程的客户,只有用量相对较小的矿机芯片买家。

然而,这并不意味着三星没有机会。受聊天机器人ChatGPT需求推动,以GPU为主的AI芯片需求激增,甚至一度供不应求,而AI芯片多为先进制程,这也为用户量相对较少的三星、英特尔提供了更多客户资源的可能。因此,不仅仅是三星,三大家均有机会在算力爆发的当下分一杯羹。

俗话说,是骡子是马拉出来练练。三大家成败的最终评判权在用户手中。在算力需求爆发的当下,究竟谁的芯片更获得青睐,还有待市场给出答案。