半导体主流先进制程工艺梳理总结

半导体制造的工艺节点，涉及到多方面的问题，如制造工艺和设备，晶体管的架构、材料等。随着制程的进一步缩小，芯片制造的难度确实已经快接近理论极限了。目前，已经量产的主流先进半导体制程工艺已经来到了7nm，明年，5nm也将量产。

而从制程工艺的发展情况来看，一般是以28nm为分水岭，来区分先进制程和传统制程。下面，就来梳理一下业界主流先进制程工艺的发展情况。

28nm

由于性价比提升一直以来都被视为摩尔定律的核心意义，所以20nm以下制程的成本上升问题一度被认为是摩尔定律开始失效的标志，而28nm作为最具性价比的制程工艺，具有很长的生命周期。

在设计成本不断上升的情况下，只有少数客户能负担得起转向高级节点的费用。据Gartner统计，16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，而28nm体硅制程器件约为3000万美元，设计7nm芯片则需要2.71亿美元。IBS的数据显示：28nm体硅器件的设计成本大致在5130万美元左右，而7nm芯片需要2.98亿美元。对于多数客户而言，转向16nm/14nm的FinFET制程太昂贵了。

就单位芯片成本而言，28nm优势明显，将保持较长生命周期。一方面，相较于40nm及更早期制程，28nm工艺在频率调节、功耗控制、散热管理和尺寸压缩方面具有明显优势。另一方面，由于16nm/14nm及更先进制程采用FinFET技术，维持高参数良率以及低缺陷密度难度加大，每个逻辑闸的成本都要高于28nm制程的。

28nm处于32nm和22nm之间，业界在更早的45nm阶段引入了high-k值绝缘层/金属栅极（HKMG）工艺，在32nm处引入了第二代 high-k 绝缘层/金属栅工艺，这些为28nm的逐步成熟打下了基础。而在之后的先进工艺方面，从22nm开始采用FinFET（鳍式场效应晶体管）等。可见，28nm正好处于制程过渡的关键点上，这也是其性价比高的一个重要原因。

目前，行业内的28nm制程主要在台积电，GF（格芯），联电，三星和中芯国际这5家之间竞争，另外，2018年底宣布量产联发科28nm芯片的华虹旗下的华力微电子也开始加入竞争行列。

虽然高端市场会被 7nm、10nm以及14nm/16nm工艺占据，但40nm、28nm等并不会退出。如28nm~16nm工艺现在仍然是台积电营收的重要组成部分，特别是在中国大陆建设的代工厂，就是以16nm为主。中芯国际则在持续提高28nm良率。

14/16nm

14nm制程主要用于中高端AP/SoC、GPU、矿机ASIC、FPGA、汽车半导体等制造。对于各厂商而言，该制程也是收入的主要来源，特别是英特尔，14nm是其目前的主要制程工艺，以该公司的体量而言，其带来的收入可想而知。而对于中国大陆本土的晶圆代工厂来说，特别是中芯国际和华虹，正在开发14nm制程技术，距离量产时间也不远了。

目前来看，具有或即将具有14nm制程产能的厂商主要有7家，分别是：英特尔、台积电、三星、格芯、联电、中芯国际和华虹。

同为14nm制程，由于英特尔严格追求摩尔定律，因此其制程的水平和严谨度是最高的，就目前已发布的技术来看，英特尔持续更新的14nm制程与台积电的10nm大致同级。

今年5月，英特尔称将于第3季度增加14nm制程产能，以解决CPU市场的缺货问题。

然而，英特尔公司自己的14nm产能已经满载，因此，该公司投入15亿美元，用于扩大14nm产能，预计可在今年第3季度增加产出。其14nm制程芯片主要在美国亚利桑那州及俄勒冈的D1X晶圆厂生产，海外14nm晶圆厂是位于爱尔兰的Fab 24，目前还在升级14nm工艺。

三星方面，该公司于2015年宣布正式量产14nm FinFET制程，先后为苹果和高通代工过高端手机处理器。目前来看，其14nm产能市场占有率仅次于英特尔和台积电。

台积电于2015下半年量产16nm FinFET制程。与三星和英特尔相比，尽管它们的节点命名有所不同，三星和英特尔是14nm，台积电是16nm，但在实际制程工艺水平上处于同一世代。

2018年8月，格芯宣布放弃7nm LP制程研发，将更多资源投入到12nm和14nm制程。

格芯制定了两条工艺路线图：一是FinFET，这方面，该公司有14LPP和新的12LPP（14LPP到7LP的过渡版本）；二是FD-SOI，格芯目前在产的是22FDX，当客户需要时，还会发布12FDX。

联电方面，其14nm制程占比只有3%左右，并不是其主力产线。这与该公司的发展策略直接相关，联电重点发展特殊工艺，无论是8吋厂，还是12吋厂，该公司会聚焦在各种新的特殊工艺发展上。

中芯国际方面，其14nm FinFET已进入客户试验阶段，2019年第二季在上海工厂投入新设备，规划下半年进入量产阶段，未来，其首个14nm制程客户很可能是手机芯片厂商。据悉，2019年，中芯国际的资本支出由2018年的18亿美元提升到了22亿美元。

华力微电子方面，在年初的SEMICON China 2019先进制造论坛上，该公司研发副总裁邵华发表演讲时表示，华力微电子今年年底将量产28nm HKC+工艺，2020年底将量产14nm FinFET工艺。

12nm

从目前的晶圆代工市场来看，具备12nm制程技术能力的厂商很少，主要有台积电、格芯、三星和联电。联电于2018年宣布停止12nm及更先进制程工艺的研发。因此，目前来看，全球晶圆代工市场，12nm的主要玩家就是台积电、格芯和三星这三家。

台积电的16nm制程经历了16nm FinFET、16FF＋和16FFC三代，之后进入了第四代16nm制程技术，此时，台积电改变策略，推出了改版制程，也就是12nm技术，用以吸引更多客户订单，从而提升12吋晶圆厂的产能利用率。因此，台积电的12nm制程就是其第四代16nm技术。

格芯于2018年宣布退出10nm及更先进制程的研发，这样，该公司的最先进制程就是12nm了。该公司是分两条腿走路的，即FinFET和FD-SOI，这也充分体现在了12nm制程上，在FinFET方面，该公司有12LP技术，而在FD-SOI方面，有12FDX。12LP主要针对人工智能、虚拟现实、智能手机、网络基础设施等应用，利用了格芯在纽约萨拉托加县Fab 8的专业技术，该工厂自2016年初以来，一直在大规模量产格芯的14nm FinFET产品。

由于许多连接设备既需要高度集成，又要求具有更灵活的性能和功耗，而这是FinFET难以实现的，12FDX则提供了一种替代路径，可以实现比FinFET产品功耗更低、成本更低、射频集成更优。

三星方面，其晶圆代工路线图中原本是没有12nm工艺的，只有11nm LPP。不过，三星的11 LPP和格芯的12nm LP其实是“师出同门”，都是对三星14nm改良的产物，晶体管密度变化不大，效能则有所增加。因此，格芯的12nm LP与三星的12nm制程有非常多的共同之处，这可能也是AMD找三星代工12nm产品的原因之一。

中芯国际方面，不仅14nm FinFET制程已进入客户风险量产阶段，而且在2019年第一季度，其12nm制程工艺开发进入客户导入阶段，第二代FinFET N+1研发取得突破，进度超过预期，同时，上海中芯南方FinFET工厂顺利建造完成，进入产能布建阶段。这意味着用不了多久，一个新的12nm制程玩家将杀入战团。

10nm

到了10nm这个节点，行业玩家就只剩下台积电、三星和英特尔了。

总的来说，台积电还是领先的，其典型产品就是2017年为苹果代工的A11处理器。而三星也紧跟步伐，在10nm这个点，双方的进度相差不大，但总体水平，台积电仍然略胜一筹。

今年，英特尔的老对手AMD打起了翻身仗，凭借台积电代工的7nm锐龙3000系列处理器，让AMD在CPU处理器的制程工艺上首次超越了英特尔。

而目前，英特尔的主流制程是14nm，不过，前不久传来消息，经过多年的攻关，该公司终于解决了10nm工艺的技术难题，已经开始量产。

不过，英特尔对制程节点的严谨追求是很值得称道的，从具体的性能指标，特别是PPA和晶体管密度来看，英特尔的10nm比台积电的10nm有优势。

7nm

在7nm，目前只有台积电和三星两家了，而且三星的量产时间相对于台积电明显滞后，这让三星不得不越过7nm，直接上7nm EUV，这使得像苹果、华为、AMD、英伟达这样的7nm制程大客户订单，几乎都被台积电抢走了。在这种先发优势下，台积电的7nm产能已经有些应接不暇。而在7nm EUV量产方面，台积电也领先了一步，代工的华为麒麟990已经商用，三星7nm EUV代工的高通新一代处理器也在生产当中，估计很快就会面市了。

英特尔方面，在10nm之后，该公司称会在2021年推出7nm工艺，据悉，其7nm工艺已经走上正轨，功耗及性能看起来都非常好，根据之前的消息，7nm工艺会在2021年的数据中心GPU上首发。

5nm

台积电在2018年1月就开始兴建5nm晶圆厂了；除了钱、晶圆厂、光刻机之外，5nm的刻蚀机、EDA工具、客户等也已经陆续就位：

1）5nm刻蚀机已就位；

芯片的制造过程可以简化成用光刻机“雕刻”图案，用刻蚀机吹走/洗走多余的材料。相对于光刻机，刻蚀机的研发难度要小一些，但刻蚀机也是除光刻机以外最关键的设备。目前一台刻蚀机单价在200万美元左右，一个晶圆厂需要40-50台刻蚀机。

国外刻蚀机设备厂商主要有应用材料（Applied Materials）、科林研发（LAM） 、东京威力科创（TEL）、日立先端（Hitach）、牛津仪器等；国内玩家则有中微半导体、北方微电子、金盛微纳科技，我们跟国外的差距没有光刻机那么大。

2018年12月，中微半导体的5nm等离子体刻蚀机也宣布通过台积电验证，将用于全球首条5nm制程生产线。而在7nm时代，中微半导体的刻蚀机也进入了台积电的7nm产线。

2）5nm EDA工具已就位；

目前，全球几大EDA巨头都已经陆续推出了5nm芯片设计工具，比如在2018年10月，新思科技宣布其数字和定制设计平台通过了台积电的5nm EUV工艺技术认证。

而另一EDA巨头华登国际创始人兼Cadence CEO陈立武曾经告诉智东西，目前Cadence已经和很多合作伙伴开始了7nm、5nm、甚至3nm芯片工艺制程的研究。比如今年年初，比利时公司Imec与Cadence就成功流片了首款3nm测试芯片。

陈立武说，现在5nm市场是最活跃的，有很多非常积极的公司正在安排5nm相关EDA软件与设计、IP的协同。

3）5nm客户已就位；

有工艺，自然也需要有市场。台积电曾表示，目前很多客户已经开始基于新工艺开发芯片了。

不过由于芯片设计的复杂度不同，像比特大陆这种专用芯片设计起来相对容易、手机芯片次之、电脑芯片与数据中心在再次之，所以最先用上先进的工艺的往往是专用芯片而非通用芯片，比如台积电7nm的头批客户只包含了比特币与手机芯片玩家。

而根据华为海思平台与关键技术开发部部长夏禹此前给出的芯片工艺路线路，华为的规划是推出7nm芯片之后将推进5nm芯片研发进程，预计5nm芯片问世的时间点在2020年。

在7nm时代，华为和台积电合作研发了3年，耗资3亿美元，才终于在2018年拿出7nm芯片设计。

工艺越先进，需要投入的也成本越高，这个道理在芯片代工厂跟芯片设计商同理，5nm的设计总成本（人工与许可费）是7nm的1.5倍左右。

而根据台积电数据，基于5nm工艺生产的A72芯片，芯片面积缩小了1.8倍，速度提升了14.7% -17.1%。

结语

以上，就业界已经量产的主流先进制程工艺的发展情况，以及相关厂商的进展进行了阐述。而更先进的5nm、3nm、2nm等还没有进入量产阶段，就不再详述了。这些制程节点已经鲜有玩家了，目前只有台积电和三星这两家，台积电称将于明年量产5nm，而三星似乎要越过5nm，直接上3nm,我们拭目以待