台积电10nm工艺性能及量产情况

10nm简介

10nm即CPU的“制作工艺”，是指在生产处理器的过程中，集成电路的精细度，也就是说精度越高，生产工艺越先进。在同样的体积下可以塞进更多电子元件，处理器的性能更强，功耗更低。［1］10nm制程芯片面积远远小于14nm制程芯片，这意味着厂商有更多的空间来为智能手机设计更大的电池或更纤薄的机身。工艺的改善加上更先进的芯片设计，能够显著延长手机续航时间。

台积电宣布10nm工艺完工

在不久前的股东会议上，台积电高调公布了2016年二季度运营及技术发展情况，并将资本支出提高至105亿美元（比英特尔高出近5亿美元），显示出股东对公司未来的发展非常看好。

会议上，台积电CEO刘德音公布了工艺进展：已经有三个客户使用10nm工艺完成流片。虽然刘德音没有公布这三位电子元器件和IC客户的具体信息，但能用得起10mn工艺芯片的也就是苹果（A10）、联发科（X30）和海思（新一代麒麟处理器）。刘德音还表示，年底前将会收到更多客户的10nm芯片流片订单。

此外，台积电还计划在2020年完成5nm工艺的研发，预计在量产（7nm/5nm工艺）的时候使用EUV光刻工艺。以提高密度、简化工艺并降低成本。EUV是新一代半导体工艺突破的关键，利用远紫外光的EUV曝光技术作为可使电子元器件和IC等半导体进一步微细化，因此备受期待。早期台积电和三星还为了首先使用EUV工艺打过嘴仗。

前台积电公司已经在7nm节点研发上使用了EUV工艺，实现了EUV扫描机、光罩及印刷的工艺集成。 台积电表示目前他们有4台ASML公司的NX:3400光刻机在运行，2017年第一季度还会再购买2台。

之前有报道称三星也购买了ASML公司的量产型EUV光刻机，目的是在2017年加速7nm工艺量产。

在7nm工艺方面也进展顺利，台积电宣称已经提前56Mb SRAM芯片。刘德音称台积电的7nm工艺无论在功耗、性能以及PPA密度等方面，都比对手（英特尔、三星）出色，预计2017年上流片、2018年正式量产。

目前台积电方面使用的是16nm工艺，预计今年三、四季度会量产10nm工艺。于此同时，竞争对手三星也将在今年年底采用10nm工艺，目前有消息称高通骁龙830采用的就是三星10nm工艺，而今年下半年iPhone7搭载的A10芯片，也有可能用上台积电10nm工艺。

据Mark Liu介绍，台积电7nm标准技术将同时用于手机和高性能计算应用两个方面，而10nm工艺主要用于手机设备。这意味着这，很多手机处理器会使用台积电10nm工艺，桌面显卡只能等到7nm出现。

台积电10nm已量产

积电（TSMC）在美国奥斯汀举行的“Collaborating to Enable Design with the Latest Processors and FinFET Processes， including 7nm”（由美国新思科技、英国ARM和台积电联合举办）上，介绍了采用10nm FinFET及7nm FinFET工艺的设计和生产进展情况。演讲人跟上年一样。

初次使用三重曝光的10nm工艺，第一款芯片已于2016年第一季度送厂生产（设计完成）。预计10nm工艺的量产将于2016年内开始。ARM于上周（5月30日）发布了利用10nm工艺制造的瞄准智能手机SoC的CPU内核“ARM Cortex-A73”和GPU内核“ARM Mali-G71”。

可以考虑每层各异的布线电阻及过孔电阻的设计流程　台积电的幻灯片。

至于7nm工艺，Willy Chen表示“已签订了20多个合同”。已有用户开始设计，将于2017年下半年送厂生产。7nm工艺的量产将于2018年开始。据Willy Chen介绍，7nm工艺与10nm工艺相比，逻辑集成度将提高60%，性能和耗电量将改善30～40%。另外，Willy Chen表示，希望利用该工艺不仅生产智能手机，还生产HPC（High Performance Computing）的芯片。

虽然有人预测7nm工艺将使用四重曝光，不过现在看来可能跟10nm工艺一样采用三重曝光。Willy Chen介绍说“10nm和7nm工艺的设计流程基本相同”，不过，7nm工艺有些地方需要注意，比如要想发挥高速工艺实力有三个要点。即：（1）牢固的时钟网布设方法，（2）削减布线延迟，（3）更加整合的设计流程。

　　10nm：台积电已经准备好了

　　至于台积电，其10nm工艺（CLN10FF）已经有12和15两个工厂能够达到合格要求，其大规模量产大概时间为2017年下半年。预计未来这两个工厂每季度能够生产上万片芯片。台积电希望能够不断增加产能，计划在今年出货40万片晶圆。

　　考虑到FinFET技术冗长的生产周期，台积电想要提高10nm工艺的产能来满足其主要客户的芯片需求，还需要很长的产能爬坡时间。那么苹果如果想要使用采用这一工艺的芯片，为其今年九月或者是十月推出新手iPhone进行大量备货，在前期还是非常困难的。

　　CLN10FF技术与CLN16FF+技术相比到底存在多少优势，这个问题在台积电内部已经进行过多次讨论，该工艺明显是针对移动设备使用的SOC，而不是为普通芯片厂商准备的。在相同的功率和复杂性上，该工艺能够提高50%的芯片密度。如果采用同一频率和复杂性，同时降低40%的功耗，同样能够带来20%的性能提升。

　　与三星不同的是，台积电并不打算在10nm工艺上推出多个改进型工艺。台积电预计在明年直接推出7nm工艺。7nm对于半导体制造工艺来说是非常重要的里程碑，吸引了很多设计者为之努力。

　　但是，台积电的野心明显不止于此，台积电未来还打算推出多种专门针对超小型和超低功耗应用的制造工艺。

　　三星/台积电10nm产能紧张：小米6遭殃

　　在2017年，10nm工艺制程将成为芯片中最主要的技术。联发科HelioX30和高通骁龙835处理器以及传闻中的麒麟970芯片都将使用10nm工艺，而这些芯片不出意外会在明年安卓旗舰中扮演重要角色。

　　不过，最新的爆料显示，10nm工艺制程的进展并不那么顺利。据网友@冷希Dev透露，由于产能问题，三星以及台积电两家手机芯片代工商面临着不小的问题。三星不能满足骁龙835的需求，因此自家新旗舰GalaxyS8会受到影响。

　　超越10nm的台积电：7nmDUV和7nmEUV

　　如前所述，未来台积电的7nm工艺将会被应用到数百家公司的数以千计的不同的应用之中。

　　不过，台积电最初的计划并不是这样。台积电最初为7nm工艺设计了两个版本：一种是针对高性能应用的7nm工艺，一种是针对移动应用的7nm工艺。但是这两种工艺都需要采用浸没式光刻技术和DUV技术。经过多次尝试之后，台积电最终决定引入更加先进的制造工艺，将EUV技术引入7nm工艺中。这一方法可以说是从GlobalFoundries制造工艺中得到的借鉴。

　　台积电的第一代CLN7FF预计将会与2017年第二季度进入试产阶段，今年晚些时候可能推出样片。而大规模的进行生产则需要等到2018年第二季度。所以，我们如果想要在产品中见到采用7nm工艺的芯片，至少需要等到明年下半年。

　　CLN7FF工艺将会使得芯片制造上在相同晶体数量的情况下，整体的体积缩小70%；而在相同的芯片复杂性情况下，将能够降低60%的功耗或者是增加30%的频率。

　　据了解，台积电未来推出的第二代7nm工艺（CLN7FF+），将会引入EUV技术，这就要求开发生必须针对7nm工艺重新设计更多的EUV生产规则。改进后的工艺预计可能缩小15~20%左右的晶圆面积，同时能够提高性能，降低功耗。

　　此外，与传统的生产设计工艺相比，使用DUV工具进行设计，能够极大的缩短生产周期。台积电第二代7nm工艺（CLN7FF+）预计将于2018年第二季度进行试产，2019年下半年能够量产面市。

　　事实上，三大代工厂商在7nm工艺节点上都将会使用EUV技术。但是ASML和其他EUV设备上想要真的将EUV技术投入商业应用，至少还需要两年的时间。

　　虽然在某些方面EUV可以实现，但是要真的应用还需要等到2019年。台积电和三星都已经在讨论第二代EUV工艺了，从目前的情况来看，代工厂商对于EUV厂商的未来的设备进度还是抱有非常大的信心的。