當(dāng)半導(dǎo)體制程工藝演進(jìn)到28nm時(shí)，達(dá)到了性能和成本的絕佳平衡點(diǎn)，但應(yīng)用和市場需求并沒有停歇,，越來越多的應(yīng)用沒有滿足于這樣的平衡,，即使成本會大幅增加，依然要向更先進(jìn)制程索要高性能,。因此，28nm之后，22nm,、16nm……，以及最近幾年量產(chǎn)的5nm,、3nm,，還有今后幾年將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的2nm、1nm制程,，占據(jù)著越來越高的市場份額,，與占有廣闊市場空間的28nm以上成熟制程分庭抗禮。

本文與您共同分享一下28nm以下先進(jìn)制程的發(fā)展情況,，首先從納米級制程的終極節(jié)點(diǎn)1nm開始,。

1nm

按照IMEC（比利時(shí)微電子中心）規(guī)劃的發(fā)展路線圖，預(yù)計(jì)2028年可實(shí)現(xiàn)1nm制程工藝量產(chǎn),。

要實(shí)現(xiàn)1nm制程工藝,，需要改變晶體管架構(gòu)，三星和臺積電分別在3nm,、2nm節(jié)點(diǎn)放棄了FinFET,，轉(zhuǎn)向環(huán)繞柵極（GAAFET）結(jié)構(gòu)，也被稱為Nanosheet,。而到了1nm及之后更先進(jìn)制程,，對晶體管架構(gòu)提出了更高要求。IMEC提出了Forksheet,，通過仿真,，IMEC預(yù)計(jì)Forksheet具有理想的面積和性能微縮性，以及更低的寄生電容,。此外,，3D“互補(bǔ)FET”（CFET）也是1nm制程的晶體管方案，CFET的一個(gè)顯著特征是與納米片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的相似性,，CFET的新穎之處在于PFET和NFET納米片的垂直放置,。CFET拓?fù)淅昧说湫偷腃MOS邏輯應(yīng)用,，其中將公共輸入信號施加到NFET和PFET的柵極。

目前,，臺積電的 1nm 制程仍處于探索階段,，工廠正在嘗試各種選項(xiàng)。除了臺積電,，三星,、英特爾和IBM也在進(jìn)行1nm制程工藝的研發(fā)。

2nm

2019年,，臺積電率先開始了2nm制程技術(shù)的研發(fā)工作,，相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)中心和晶圓廠主要設(shè)在中國臺灣的新竹，同時(shí)還規(guī)劃了4座超大型晶圓廠,。臺積電有望在2024年進(jìn)入 2nm制程試產(chǎn)階段,，并于一年后量產(chǎn)。

臺積電2019年成立了2nm專案研發(fā)團(tuán)隊(duì),，尋找可行路徑進(jìn)行開發(fā),。在考量成本、設(shè)備相容,、技術(shù)成熟及效能表現(xiàn)等多項(xiàng)條件后，決定采用以GAAFET為基礎(chǔ)的MBCFET（Multi－Bridge Channel FET）架構(gòu),，解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題,。MBCFET和FinFET有相同的理念，不同之處在于GAAFET的柵極對溝道的四面包裹,，源極和漏極不再和基底接觸,。

根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，GAAFET也有不同的形態(tài),，目前比較主流的四種技術(shù)是納米線,、板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片、六角形截面納米線和納米環(huán),。三星對外介紹的GAAFET技術(shù)也是MBCFET,，即板片狀結(jié)構(gòu)多路橋接鰭片。

按照臺積電給出的2nm工藝指標(biāo),，Metal Track（金屬單元高度）和3nm一樣維持在5x,，Gate Pitch（晶體管柵極間距）縮小到30nm，Metal Pitch（金屬間距）縮小到20nm,，比3nm減少23％,。

3nm

在3nm制程產(chǎn)能建設(shè)方面，臺積電在臺南科學(xué)園區(qū)有3座晶圓廠,，分別是14廠,、18廠和6廠,，其中前兩座是12英寸晶圓廠，后一座是8英寸晶圓廠,。18廠是5nm制程工藝的主要生產(chǎn)基地,。而除了5nm工藝，臺積電3nm制程工藝的工廠,，也建在臺南科學(xué)園區(qū)內(nèi),。

2020年初，三星開始其新建的V1晶圓工廠的大規(guī)模生產(chǎn),，成為業(yè)內(nèi)首批完全使用6LPP和7LPP制造工藝的純EUV生產(chǎn)線,。而該工廠也是三星3nm制程的主陣地。

三星3nm制程研發(fā)規(guī)劃分為兩個(gè)階段：第一代的3nm GAE（GAA－Early）與第二代3nm GAP（GAA－Plus）,。

2022上半年,，三星量產(chǎn)3nm制程芯片，但用戶和產(chǎn)量非常有限,，未見處理器廠商采用,。臺積電則在一年前就表示要在2022下半年量產(chǎn)3nm芯片，外界認(rèn)為其主要客戶肯定是蘋果,，然而,，當(dāng)9月初蘋果發(fā)布新機(jī)和A16處理器的時(shí)候，卻未見采用3nm,，而是成熟的4nm制程,，新技術(shù)高昂的成本迫使蘋果放棄了最初版本的3nm，而將希望放在了2023年可將成本降下來的新版3nm制程,。

4nm

2021年11月,，聯(lián)發(fā)科正式發(fā)布了高端手機(jī)SoC芯片天璣9000，采用了臺積電4nm制程工藝,，這也是全球首款量產(chǎn)的4nm制程芯片,。

5nm芯片在2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，在此基礎(chǔ)上,，臺積電和三星在向3nm進(jìn)發(fā),，在3nm量產(chǎn)之前，4nm制程填補(bǔ)了5nm與3nm之間的空擋,。

臺積電4nm工藝與5nm屬于同一平臺,，但4nm工藝的速度、功耗和密度都有了改善,，其最大的優(yōu)勢在于與5nm兼容的設(shè)計(jì)規(guī)則,、SPICE和IP。使用5nm工藝設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠輕易地轉(zhuǎn)移到4nm平臺上來。

三星的4nm制程主要分為4LPE和4LPP,，并將4LPE視為7LPP工藝的演進(jìn)版本,，可提供比5nm更好的PPAc（功率、性能,、面積,、成本）表現(xiàn)。4LPP是4nm的低功耗版本,，于2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),，這也是三星最后一個(gè)采用FinFET晶體管架構(gòu)的制程節(jié)點(diǎn)。

5nm

臺積電表示,，由于客戶對5nm需求強(qiáng)勁,，該公司5nm系列在2022年的產(chǎn)能擴(kuò)充計(jì)劃比2020年增長3．5倍以上，并在2023年達(dá)到2020年的4倍以上,。

臺積電還推出了5nm的新版本－N5A制程,，目標(biāo)在于滿足汽車應(yīng)用對于運(yùn)算能力日益增加的需求。

蘋果和高通是臺積電5nm制程的最大客戶,，此外,，AMD也在爭取臺積電的5nm訂單，于2021年開始出貨,。至于聯(lián)發(fā)科,、英偉達(dá)、比特大陸等客戶,，也都在后邊排隊(duì)等候臺積電的5nm產(chǎn)能,。

三星的低功耗版本5LPE性能比7nm提升了10％，而在相同的時(shí)鐘和復(fù)雜度下,，功耗可降低20％。據(jù)悉,，5LPE在原始工藝中增加了幾個(gè)新模塊,，包括具有智能擴(kuò)散中斷（Smart Diffusion Break：SDB）隔離結(jié)構(gòu)的FinFET，以提供額外的性能,，第一代靈活的觸點(diǎn)設(shè)置（三星的技術(shù)類似于英特爾的COAG,，有源柵上的觸點(diǎn)），可用于低功耗的鰭式器件,。

6nm

6nm是7nm與5nm之間的過渡制程工藝,。

臺積電于2019年4月推出了6nm制程（N6），設(shè)計(jì)方法與7nm工藝完全兼容,，隨著EUV技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用,，N6的邏輯密度比N7提高18％。

2021年6月，臺積電推出了6nm RF（N6RF）制程,，將先進(jìn)的N6邏輯制程所具備的功耗,、效能、面積優(yōu)勢帶給5G射頻（RF）與WiFi 6／6e解決方案,。相較于16nm射頻技術(shù),，N6RF晶體管的效能提升超過16％。臺積電表示,，N6RF制程針對6GHz以下及毫米波頻段的5G射頻收發(fā)器提供大幅降低的功耗和面積,，同時(shí)兼顧效能、功能與電池壽命,。

三星6nm在7nm EUV基礎(chǔ)上,，運(yùn)用其Smart Scaling技術(shù)，縮小芯片面積并降低了功耗,。該公司于2019 年初宣布第一個(gè)基于EUV技術(shù)的6nm芯片開始流片,，之后，三星還推出了6nm LPE版本,。

7nm

臺積電在2017年底試產(chǎn)7nm制程,，2018年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，大規(guī)模量產(chǎn)是在2019年,，在2019年第二季度開始量產(chǎn)N7＋（EUV的）,，N7＋的邏輯密度比N7提高15％～20％，同時(shí)降低了功耗,。

臺積電7nm工藝量產(chǎn)后,，2019年有100多個(gè)芯片陸續(xù)流片，包括CPU,、GPU,、AI、加密貨幣,、網(wǎng)絡(luò)通信,、5G、自動(dòng)駕駛等芯片,?？蛻舭ㄌO果、華為海思,、聯(lián)發(fā)科,、高通、英偉達(dá),、AMD,、比特大陸等。蘋果的A13處理器、海思的5G基站芯片,，以及AMD的GPU,、CPU和服務(wù)器芯片都集中在2019下半年出貨，且都在爭取臺積電7nm產(chǎn)能,，使其相關(guān)產(chǎn)線處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),。

與臺積電相比，三星7nm的產(chǎn)能利用率則遜色了很多,，在量產(chǎn)初期,，是以10K左右的少量量產(chǎn)開始的，隨著客戶下單量增加,，持續(xù)提升產(chǎn)能,。

8nm

幾乎是在臺積電宣布推出N6RF制程的同時(shí)，也是在2021年6月,，三星電子宣布開發(fā)出8nm 射頻芯片制程技術(shù),，希望搶攻 5G 領(lǐng)域晶圓代工訂單。

三星開發(fā)了一種獨(dú)特的 8nm 射頻專用架構(gòu),，名為 RFextremeFET （RFeFET）,，可以顯著改善射頻特性，同時(shí)使用更少的功率,。與三星的14nm RF相比,，RFeFET 補(bǔ)充了數(shù)字 PPA 縮放，并恢復(fù)了模擬 ／ RF 縮放,，從而實(shí)現(xiàn)了高性能5G平臺,。此外，新的 8nm RF 芯片可提高35％的效率,，減少35％的面積,。

據(jù)悉，三星這種代工技術(shù)能夠提供“單芯片解決方案”,，專門用于支持多通道和多天線芯片設(shè)計(jì)的5G 通信,。高通已經(jīng)完全擁抱了三星的7nm RF制程，將其相關(guān)芯片交給三星生產(chǎn),，并承諾下單量還會提高,。

10nm

早在2013年,，臺積電就開始了10nm工藝的研發(fā),。而按照早期規(guī)劃，在2016年第四季度量產(chǎn)10nm制程,。而實(shí)際量產(chǎn)時(shí)間與其規(guī)劃基本吻合,，2017年初實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，標(biāo)志性應(yīng)用就是蘋果的A11處理器。不過,，量產(chǎn)后,，臺積電10nm營收的比例基本持平，且相對份額不高,。

2015年7月,，三星電子在網(wǎng)上發(fā)布了一段視頻，確認(rèn)已經(jīng)將 10nm FinFET 工藝正式加入路線圖,。

2017年,，幾乎與臺積電同步量產(chǎn)10nm制程后，三星將大部分高通驍龍?zhí)幚砥饔唵问杖肽抑?。不過,，為了趕上臺積電7nm制程量產(chǎn)的步伐，三星在10nm上花費(fèi)的精力和時(shí)間比較有限,，2019年,，三星的7nm制程收到了高通驍龍765的訂單。與臺積電相似,，三星將規(guī)劃重點(diǎn)放在了5nm和3nm制程上,，10nm也是曇花一現(xiàn)。

英特爾也早就開始了10nm的研發(fā),，原計(jì)劃是在2016年量產(chǎn),，但研發(fā)過程中遭遇困難，導(dǎo)致10nm量產(chǎn)時(shí)間一再推遲,。經(jīng)過多年的周折和延遲,，英特爾的10nm終于在2019年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

12nm

中國大陸手機(jī)市場龐大,，且中低端占據(jù)著出貨量的大頭兒,，這就給了相應(yīng)手機(jī)處理器絕佳的發(fā)展機(jī)會，12nm制程技術(shù)的市場份額也就水漲船高了,。

聯(lián)電于2018年宣布停止12nm及更先進(jìn)制程工藝的研發(fā),。因此，全球晶圓代工市場,，12nm的主要玩家就是臺積電,、格芯和三星。

聯(lián)發(fā)科是12nm芯片的主力軍,，代表產(chǎn)品多是中端芯片,，具體包括：Helio P22，采用臺積電12nm FinFET工藝制造,；Helio P60,；Helio A 系列產(chǎn)品,。該公司稱其把高端產(chǎn)品功能下放到了用戶基數(shù)龐大的大眾市場。該系列的首款產(chǎn)品為Helio A22,。

在中國大陸,，紫光展銳最近幾年在中低端市場的拓展力度很大，并逐步擴(kuò)大市場占有率,，在5G市場,，該公司推出了春藤510，采用了臺積電12nm制程工藝,。

除了手機(jī)處理器,，AMD的顯卡RX 590也采用了12nm制程，而這款產(chǎn)品的代工廠為格芯和三星,。

14nm

具備14nm制程量產(chǎn)能力的廠商主要有7家,，分別是：英特爾、臺積電,、三星,、格芯、聯(lián)電,、中芯國際和華虹,。

14nm制程主要用于中高端AP／SoC、GPU,、礦機(jī)ASIC,、FPGA、汽車半導(dǎo)體等,。對于各廠商而言,，該制程也是收入的重要來源。

自2015年正式推出14nm制程后,，英特爾已經(jīng)對其依賴了4年的時(shí)間,，該制程也為這家半導(dǎo)體巨頭帶來了非常可觀的收入,。從Skylake（14nm）,、Kaby Lake（14nm＋）、Coffee Lake（14nm＋＋）,，到2018年推出的14nm＋＋＋,，該公司一直在保持對14nm制程的更新。而英特爾原計(jì)劃在2016年推出10nm,，但經(jīng)歷了多次延遲,，2019年才姍姍來遲，從這里也可以看出該公司對14nm制程的倚重程度,。

臺積電于2015下半年量產(chǎn)16nm FinFET制程,。與三星和英特爾相比，盡管它們的節(jié)點(diǎn)命名有所不同,，三星和英特爾是14nm,，臺積電是16nm，但在實(shí)際制程工藝水平上處于同一世代,。

格芯的14nm制程晶圓廠位于美國紐約州馬耳他,，主要用于生產(chǎn)高端處理器，不過,，14nm產(chǎn)能占格芯總營收的比例較小,。聯(lián)電的14nm制程占比也很小，只有3％左右,。

22nm

談到22nm制程,，要追溯到2008年，當(dāng)時(shí),，業(yè)界首次出現(xiàn)了采用該制程工藝的RAM存儲器,，但彼時(shí)還未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。到了2012 年,，英特爾推出了第一款采用22nm制程工藝的消費(fèi)級CPU——Ivy Bridge,。

22nm制程的出現(xiàn)和普及，滿足了市場上相當(dāng)多IC設(shè)計(jì)廠商的實(shí)際需求,。28nm之后,，許多廠商希望轉(zhuǎn)移到更高級節(jié)點(diǎn)，但過高的成本和風(fēng)險(xiǎn),，使得很多廠商對16nm／14nm望而卻步,，這樣，很多廠商停留在了28nm及以上的成熟制程,，資金更充足的可能會轉(zhuǎn)移到16nm／14nm及更先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn),，還有一些廠商想要獲得性能提升，但無法承受16nm／14nm的價(jià)格,，此時(shí),，22nm脫穎而出。不過,，相對而言,，與28nm、16nm／14nm相比,，22nm制程的市場規(guī)模較小,。

22nm制程產(chǎn)品非常適用于汽車、物聯(lián)網(wǎng)和無線通信等應(yīng)用,，近些年,，英特爾,、格芯、臺積電等廠商都在開發(fā)22nm制程工藝,。不過,，不同廠商研發(fā)的22nm工藝各不相同，大致可分為三種版本：以臺積電為代表的平面型（planar,，相對于3D的FinFET而言）CMOS工藝,；格芯的平面FD－SOI工藝；以英特爾為代表的低功耗22nm FinFET工藝,。

28nm

就單位芯片成本而言,，28nm優(yōu)勢明顯，可以保持較長生命周期,。一方面,，相較于40nm及更成熟制程，28nm工藝在頻率調(diào)節(jié),、功耗控制,、散熱管理和尺寸壓縮方面具有顯著優(yōu)勢。另一方面,，22nm及更先進(jìn)制程維持高參數(shù)良率以及低缺陷密度難度加大,，每個(gè)邏輯柵的成本都要高于28nm制程。

28nm制程的主要玩家是臺積電,，格芯,，聯(lián)電，三星和中芯國際,。

臺積電的28nm制程在2011年投入量產(chǎn)后,，營收占比只用了一年時(shí)間就從2％爬升到了22％，目前依然是28nm制程的主力軍,；對于重點(diǎn)發(fā)展特殊工藝的聯(lián)電來說,，28nm是其重點(diǎn)業(yè)務(wù)版塊，為此,，該公司還放棄了14nm以下先進(jìn)制程的研發(fā)工作,。

近些年，SOI工藝快速崛起,，這在很大程度上得益于格芯的大力推動(dòng),。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，對于SOI工藝來說,，28nm制程更具優(yōu)勢,，而且當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)向前演進(jìn)時(shí)，SOI會越來越有優(yōu)勢,。28nm算是一個(gè)分界點(diǎn),。到了這個(gè)節(jié)點(diǎn),，工藝可以很輕松的轉(zhuǎn)換到SOI，而且目前有越來越多的EDA工具支持這種轉(zhuǎn)變,。

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