3nm制程競速！國產半導體企業完成3nm芯片測試開發

吳新

3nm 芯片的消息不少，作為三星、臺積電博弈的關鍵，3nm制程及芯片從不缺乏話題，不過這一次，“國產半導體企業完成全球第一顆3nm芯片的測試開發”卻多少搶了兩大巨擘的風頭。

近日，中國半導體企業利揚芯片在回復投資者提問時表示：目前 3nm 先進制程工藝的芯片測試方案已調試成功，標志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測試開發，將向量產測試階段有序推進。

公司近幾年不斷加大在高端芯片領域的測試研發投入，尤其是公司的算力芯片測試技術針對先進制程的離散性難題提供全套測試解決方案，重點解決了功耗比、芯片內阻、大電流測試電路、測試溫度控制等關鍵技術難點，前期已經在 8nm 和 5nm 芯片產品上為多家客戶提供量產測試服務，目前 3nm 先進制程工藝的芯片測試方案已調試成功，標志著公司完成全球第一顆 3nm 芯片的測試開發，將向量產測試階段有序推進。

廣東利揚芯片測試股份有限公司成立于 2010 年 2 月，自稱是國內知名的獨立第三方專業芯片測試技術服務商、國家級專精特新小巨人企業、高新技術企業，主營業務包括集成電路測試方案開發、12 英寸及 8 英寸等晶圓測試服務、芯片成品測試服務以及與集成電路測試相關的配套服務。

官方表示，該公司自成立以來，一直專注于集成電路測試領域，并在該領域積累了多項自主的核心技術，已累計研發 44 大類芯片測試解決方案，可適用于不同終端應用場景的測試需求，完成超過 4300 種芯片型號的量產測試。

此外，該公司還為國內知名芯片設計公司提供中高端芯片獨立第三方測試技術服務，產品主要應用于通訊、計算機、消費電子、汽車電子及工控等領域，工藝涵蓋 8nm、16nm、28nm 等先進制程。

從這里可以看出，利揚芯片更多是負責的芯片測試業務，而非制造業務，相對門檻更低一些，但在利揚芯片之前，三星、臺積電都已宣稱各自的3nm芯片量產有望在2022年實現，這一制程工藝究竟有何魅力？

55nm、28nm、14nm、7nm……芯片制程工藝的更迭從未停止過。摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談，其核心內容為：集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能每隔兩年翻一倍。晶片上可容納的電晶體數量大約每隔兩年增加1倍。工藝節點的現狀是，摩爾定律逐漸放緩。

隨著3nm工藝的臨近，人類正在逼近硅基半導體的極限，此前臺積電有信心將工藝推進到2nm甚至1nm，但還是紙面上的，相關技術并沒有走出實驗室呢。

如果不能解決一系列難題，3nm工藝很有可能是未來CPU等芯片的極限了，但是10年前我們覺得65nm工藝是極限，因為到了65nm節點二氧化硅絕緣層漏電已經不可容忍，可芯片制造企業研發出了HKMG，用high-k介質取代了二氧化硅，傳統的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結構變成了金屬-highK-單晶硅結構……每一次我們認為極限即將到來時，技術突破總會推動著產業進步。

英特爾、三星、臺積電和其他公司正在為從今天的FinFET晶體管向3nm和2nm節點的新型全柵場效應晶體管（GAA FET）過渡奠定基礎，這種過渡將從明年或2023年開始。

GAA FET將被用于3nm以下，擁有更好的性能、更低的功耗和更低的漏電壓。雖然GAA FET晶體管被認為是FinFET的演進，并且已經進行了多年研發，但任何新型晶體管或材料對于芯片行業來說都是巨大的工程。需要指出的是，雖然同為納米片FET，但GAA架構有幾種類型?；旧希{米片FET的側面是FinFET，柵極包裹著它，能夠以較低的功率實現更高的性能。

平面晶體管與FinFET以及GAA FET，來源：Lam Research

“GAA技術對于晶體管的持續萎縮至關重要。3nm GAA的關鍵特性是閾值電壓可以為0.3V。與3nm FinFET相比，這能夠以更低的待機功耗實現更好的開關效果。” IBS首席執行官Handel Jones說?！?3nm GAA的產品設計成本與3nm FinFET不會有顯著差異。但GAA的IP認證將是3nm FinFET成本的1.5倍。”

高遷移率溝道并不是新事物，已經在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來了集成方面的挑戰，供應商正在采取不同的方法解決：

·在IEDM（國際電子元件會議）上，英特爾發表了一篇有關應變硅鍺（SiGe）溝道材料的納米片pMOS器件的論文。英特爾使用所謂的“溝道優先”流程開發該器件。

·IBM正在使用不同的后溝道工藝開發類似的SiGe納米片。

·其他溝道材料正在研發中。

掌握3nm制程工藝主動權就掌握下一代芯片制造的主動權，對于從事芯片代工的三星和臺積電而言，3nm制程的確是必爭之地。

據《聯合報》報道，臺積電決定如期在2022年推動3nm芯片量產，目前臺積電初步規劃新竹工廠每月產能1萬至2萬片，臺南工廠產能為1.5萬片。臺積電決定今年率先量產第二版3nm制程N3B，將于今年8月于新竹12廠研發中心第八期工廠及南科18廠P5廠同步投片。分析師表示，第一批客戶包括蘋果和英特爾公司。

臺積電的3nm技術（N3）將是5nm技術（N5）后的又一全節點技術，并在推出時提供PPA和晶體管技術中最先進的代工技術。與N5技術相比，N3技術將提供高達70%的邏輯密度增益、高達15%的速度提升以及高達30%的功耗降低。N3技術開發進展順利。N3技術將為移動和HPC應用程序提供完整的平臺支持。

有意思的是在2022年上半年最后一天，三星“壓哨”實現了自己對3nm量產時間的承諾。6月30日上午，三星電子發布公告，稱該公司已開始量產基于GAA晶體管（Gate-All-Around FET，全環繞柵極）結構的3nm芯片。

這也意味著三星領先臺積電，正式成為全球第一家實現3nm制程量產的廠商。根據行業跟蹤機構TrendForce的數據，今年第一季度，臺積電占據了全球代工市場的53.5%，其次是三星，占16.3%。

目前，全球有意愿且有條件發展3nm芯片制造的廠商有臺積電、三星、英特爾三家。按計劃，臺積電的3nm制程將在2022年下半年量產，而英特爾7nm制程改名后的Intel 4也計劃在2022年下半年量產。

雖然三星和臺積電兩家在3nm芯片量產時間上看似你爭我奪，但實際上早就有消息傳出蘋果已經預定臺積電最初一批采用3nm工藝的芯片產能，用于生產iOS設備和自研芯片，而在此前的7nm上，2019年，臺積電代工7nm已超100種，蘋果、高通、AMD、聯發科等行業巨頭的訂單都被臺積電拿下;在5nm上，由于遇上EUV工藝成品率的問題，三星開始量產5nm時，臺積電已拿下蘋果、高通的大單。

從這里看，三星已落后臺積電一大截，其急于在3nm上扳回一局的心態就很好理解了，而國內半導體企業除專注測試等環節，在制造環節會跟進3nm嗎？顯然，處于追趕的國內半導體企業更多精力還是在28nm等規格芯片的制造上。

以中芯國際為例，其已經對外公布了2022年的資本開支計劃，計劃拿出50億美元，主要用于28nm等芯片的產能提升，部分用于發展先進制程的芯片工藝。

當然，中芯國際將重心放在28nm等芯片上，也是有原因的。

首先，全球缺芯缺少的就是28nm等芯片，中芯國際又是最先擴大28nm等芯片產能的廠商，最快2023年就將投產使用。

數據顯示，已經有大量的訂單排隊等待，再加上，汽車等行業的缺芯情況并沒有得到明顯的改善，只要有28nm等芯片的產能，就不愁沒有訂單。更何況，在中芯國際已經量產的芯片中，其敢于同國際大廠相比較，也就是說，中芯國際28nm等芯片的良品率也是世界先進的。

從這里看，爭奪3nm制造暫時意義不大，但是通過承接部分業務，進一步加強同全球先進芯片制造生態的聯系，并在成熟的制程工藝領域捕獲紅利和客戶，才是當前國產芯片產業鏈應專注的地方。