三星3nm技术真的超过了台积电吗?

2022年07月26日 16:20 次阅读 稿源:TechWeb 条评论

近期三星电子宣布, 基于3纳米(nm)全环绕栅极(Gate-All-AroundT,简称 GAA)制程工艺节点的芯片已经开始初步生产。而另外一边的台积电的3nm(N3)官方量产时间预计是在2022年下半年。这样看起来三星似乎在3nm这个工艺节点上超过了台积电,那么三星的3nm技术真的超过了台积电吗?

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工艺名称只是个名字

在一些人眼中看来,半导体工艺名称中的数字越小,工艺就越好。由此他们认为三星首发3nm工艺是在半导体制造技术上超过了台积电,但这种看法其实并不正确。

首先半导体工艺名称中的数字越小往往代表着晶体管尺寸小(晶体管密度高)在芯片面积相同的情况下,晶体管尺寸越小就意味着芯片中可以塞下更多的晶体管。而晶体管数量越多就可以让芯片具备更多的功能或者更强的性能。

这里可能有人会误解,如果按照这个逻辑不就是“工艺名称中的数字越小,工艺就越好”。但是这里面有一个特殊情况在于,近几年的工艺(例如7nm、5nm),每个晶圆厂对于工艺的命名都是“各吹各的号,各唱各的调”,没有统一的业界标准。

我们用手机的命名方式举个例子:

苹果的手机命名方式是逐代+1,就比如苹果在2021年发布了iPhone13,那么下一代iPhone很可能就叫iPhone14,再下一代则为iPhone15。

华为p系列手机的命名方式是逐代+10,比如2018年发布的华为P20、2019年发布的华为P30、2020年发布的华为p40、还有之后的华为p50。

一般来说新款手机相较老款手机肯定会提供更多的功能和更强大的性能,所以对于iPhone系列手机则可以认为:在性能上iPhone15>iPhone14>iPhone13。对于华为手机根据一般经验也可以认为p30比p20强。

那么这时候我们能否根据“20>13”,所以得出结论“2018年发布的华为P20性能比iPhone13强”呢?这样的结论显然是荒唐的。由于手机厂商命名的方式不同,不同品牌的手机根据“手机名称”进行对比是没有意义的。

而对于半导体行业,也有着类似的问题。由于工艺的命名没有统一的业界标准,时常会给一些外界人士带来误解。就比如三星发布了3nm工艺,说3nm工艺在很多方面强于5nm工艺。而台积电这边量产的是5nm,所以很多人据此误解三星超过了台积电。

实际上三星所想表述的应该是:三星的3nm工艺在很多方面强于三星的5nm工艺。至于是否强于台积电的5nm工艺,他没说。

晶体管密度与工艺命名注水

对于了解半导体行业的朋友来说,摩尔定律应该是比较熟悉了。摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈,他发现每隔18-24个月,芯片上晶体管数目就增加一倍。

如果按照摩尔定律对工艺命名的话,那么就是每一代新工艺相较旧工艺晶体管密度翻倍。就比如说10nm工艺晶体管密度理应是14nm工艺的2倍,7nm工艺晶体管密度理应是10nm工艺的2倍。

这种命名方式在22nm之前还是有效的,但是到了近几年晶体管密度翻倍变得非常困难,所以各家开始以自己的方式命名半导体工艺。也就是说晶体管密度有所提升就可以命名为下一代半导体工艺。

比如三星在描述自家第一代3nm工艺时就说“与5纳米(nm)工艺相比,第一代3纳米(nm)工艺可以使功耗降低45%,性能提升23%,芯片面积减少16%”。芯片面积只减少16%显然不是一个晶体管密度翻倍的数据。

这样“有提升就可以按下一代工艺命名”的方式使得不同厂商之间同样名称的工艺差异巨大。

三星与台积电

既然晶体管密度与工艺名称在一定程度上相关,那么我们就可以依靠“晶体管密度”这个关键参数针对不同厂商之间的工艺进行非常粗略的对比。(同一工艺往往具备多个库,按密度最高的计算)

根据ScottenJones(ICKnowledge,viaSemiwiki)和DavidSchor(WikiChipFuse)的数据我们可以得知三星5nm工艺(5LPE)的晶体管密度大约为126.5,台积电5nm工艺(N5)的晶体管密度大约为173.1。

在三星的官方宣传中提到“与5纳米(nm)工艺相比,第一代3纳米(nm)工艺可以使功耗降低45%,性能提升23%,芯片面积减少16%;而第二代3纳米(nm)工艺则使功耗降低50%,性能提升30%,芯片面积减少 35%。”据此我们可以计算出三星第一代3nm工艺(3GAE)晶体管密度大约为150.6,三星第二代3nm工艺(3GAP)晶体管密度大约为194.6。

而在台积电的官方宣传中提到“相较于N5制程技术,N3制程技术的逻辑密度将增加约70%,在相同功耗下速度提升10-15%,或者在相同速度下功耗降低25-30%。” 据此我们可以计算出台积电3nm工艺(N3)晶体管密度大约为294.3。

综上所述,如果单从晶体管密度的角度来看,台积电的5nm工艺是明显强于三星的第一代3nm工艺,而三星的第二代3nm工艺才开始真正超过了台积电的5nm工艺。而台积电预计今年出产的3nm工艺的晶体管密度则大幅超过了三星第二代3nm工艺。

结语

1.三星虽然宣称基于3nm工艺的芯片已经开始初步生产,但是并未公布首批出货的3nm芯片的客户名单。如果本次出货的芯片采用的是三星第一代3nm工艺(3GAE),那么三星在工艺进展上其实是不如台积电的。毕竟台积电那边晶体管密度更高的5nm工艺早已出货,而且还有苹果、AMD等大客户的支持。

2.三星的3nm采用的是GAA结构,而台积电的3nm采用的是FinFET。新结构往往能带来性能、功耗方面的优势,但往往第一次使用新结构的工艺在一些参数上表现不会很好。对于三星而言就是第一代3nm工艺(3GAE)晶体管密度较低,但在PPA(Performance性能、Power功耗、Area尺寸)方面应该是可以超过台积电5nm工艺。而到了第二代3nm工艺,这些方面就会有所改善。

对于台积电而言,使用更加熟悉的FinFET结构虽然不用承受这些问题,但FinFET结构在晶体管密度方面快要走向极限了。如果坚持FinFET结构,越往后走研发过程就会越难。台积电如果要维持当前的晶体管密度设计,由于研发困难很有可能会出现延期的情况,或者他会推出一个晶体管密度稍低的工艺版本。

3.三星能否超过台积电还是要看大客户的站队情况。如果说在台积电3nm工艺量产前,三星第二代3nm工艺(3GAP)有大客户使用的话,那么三星就真的超过了台积电。

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