三星得利IBM之2奈米?衝擊台積看這件事

國際商業機器公司IBM發表新一代電晶體架構環繞閘極(GAA)技術的2奈米製程晶片,比起當前最先進的7奈米、5奈米製程晶片,2奈米製程電晶體密度更高、增加 45% 效能、能源效率提升達75%。

至於目前在3奈米、甚至是2奈米製程投入大量研發資金的台積電、三星電子,IBM是否會對市場投入巨大影響,以實驗室的結果到量產實際上是兩個不同層級的問題來看,IBM本身不太可能造成威脅,但這已經足以證實,2奈米製程GAA技術的可行性三星是否可能採用IBM技術來生產先進製程晶片,將成為觀察重點

由於IBM這家存續百年以上、開拓電腦事業發展的科技公司,在1940年後的LOGO標誌都是以藍色為主,也被業界稱作是藍色巨人。IBM發布的報告指出,隨著極紫外光(EUV)微影技術的應用以來,對於製程名稱電晶體面積敘述已經失去實際意義。IBM 的2奈米製程號稱在150mm²的面積中塞入500億個電晶體,平均每平方公厘是3.3億個。

台積電和三星的7奈米製程大約在每平方公厘是9,000 萬個電晶體左右,三星的 5LPE 為1.3億個電晶體,而台積電的5奈米則是1.7億個電晶體。包括台積電、三星在進入20奈米以下製程,開始採用鰭式場效電晶體(FinFET),成功克服面臨的物理極限,但隨著進入3/2奈米製程,新的物理極限再度出現,GAA技術就成為關鍵。

GAA技術有分別有採用奈米線做為電晶體鰭片的GAAFET,另外一種則是奈米片形式的較厚鰭片的多橋通道場效應電子電晶體 MBCFET,一般大多是以GAAFET來描述。

GAAFET早在1988年就問世,該種設計更有效擴張接觸面積,理論上讓性能與功耗大幅改善,但在當時電晶體通道只能加寬1或2倍,精度難以控制,甚至使得效率變差,導致FinFET更早一步被業界踏入先進製程領域廣為使用。

IBM早在2015 年就發表 7奈米製程,但一直到去年8月才有第一個商用化產品出現。台積電7奈米製程則是在2018年4月開始量產,並在2020年跨入5奈米製程,甚至預計在2021年預計推出5奈米製程強效版,2022年下半年將量產3奈米製程,與5奈米製程同家族的4奈米製程預計同年量產。對此,三星則是在2019年推出7奈米製程,並直接使用EUV技術,2020年推出5奈米製程,雖然三星試圖追上台積電,但在良率方面,台積電仍以優於同業的表現獲得多數客戶青睞。反到是同樣是半導體巨頭的英特爾,要等到2023年才會投產,並聲稱有機會與台積電等合作夥伴生產晶片。

回到IBM發表的2奈米製程GAA技術,過去IBM曾有晶圓代工部門,後來拆分併入包括AMD等美國半導體廠商合併成為的格羅方德(GlobalFoundries),現在已經把晶片委由三星代工生產,並在紐約州阿爾巴尼(Albany)仍保有一座晶片製造研發中心來試產,並與三星和英特爾簽署聯合技術開發協議,讓這兩家公司可以使用IBM技術來生產晶片。

也就是說,IBM的技術若能順利提供給三星使用來生產晶片,的確可能對台積電會有部分影響,但從實驗室成果轉到實際生產有一大段差距。另外,台積電3奈米製程預計繼續採用FinFET,也是對該公司的微縮技術相當有自信。據台積電所述,該公司在FinFET架構擁有優於業界的技術,在過去的製程技術上,電晶體密度、FinPitch表現上也更優秀,讓台積電可以更有效控制成本,協助在3奈米製程有機會繼續勝過三星。

台積電董事長劉德音曾指出,台積電2奈米製程將轉向採用GAA架構,提供比FinFET架構更多的靜電控制,改善晶片整體功耗。

至於三星日前提出自家GAA技術細節,包括在與該公司的7奈米LPP製程相比,3GAE 製程可以在同樣功耗下提高性能30%,或是在同樣頻率下降低功耗50%,電晶體密度提升80%。三星還指出,3奈米製程MBCFET 技術將會在 2022 年投產。

據《中央社》報導,工研院產科國際所研究總監楊瑞臨指出,IBM發表2奈米製程對於半導體產業是一件大事,象徵著GAA架構的可行性,讓台積電、三星朝著2奈米製程研發加速,雖然這可能使得台積電的競爭壓力增加,但台積電有著眾多客戶,可以有效縮短學習曲線、良率提升以及降低成本,同時又較三星這類的垂直整合製造(IDM)模式更具有不與客戶競爭的優勢,讓台積電繼續保持領先地位。

(中時新聞網 呂承哲)


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