空前激烈：5nm晶片江湖要變天
上周，有消息稱，英特爾正在考慮重新設定其製程節點的命名規則，有可能完全拋棄之前的做法。
如果此消息屬實的話，則英特爾這樣做是完全合乎情理的，因為該公司在不久前宣布要大規模邁入晶圓代工市場，而該市場的商業運作模式與傳統的IDM有很大區別，IDM主要生產自家晶片，而晶圓代工則是為市場上的多家廠商生產晶片，情況要複雜的多。
就製程節點而言，必須要有一套可以被市場快速接受的命名方法和規則，而當下的晶圓代工市場，特別是最先進位程，由台積電和三星把持，廣大客戶已經習慣了這套命名規則，其實際上也成為了業界標準。
後來者進入該領域，就不得不向這樣的規則靠攏，才能更好的爭取到客戶，並提供便利的服務。
英特爾的10nm製程已經實現量產，其電晶體密度達到了100.8MTr/平方毫米，與台積電7nm相當，而被前者寄予厚望的7nm製程還未量產。
最新消息顯示，英特爾採用7nm製程節點製程的Meteor Lake計算晶片預計在2021年第二季度開始tape in。實現大規模量產，恐怕要等到2022年了。
而從技術指標來看，英特爾的7nm相當於台積電和三星的5nm，這一點，ASML公司有過相應的說明。
英特爾宣布大規模進入晶圓代工市場的時間點，正是其7nm製程即將實現量產的時段。而如果該公司真的修改製程節點命名規則的話，則所作的文章重點應該是現在的7nm製程上，屆時，如果將7nm改為5nm或類似表述的話，正好趕上其新建晶圓廠建設完成，製程研發順利的話，也會在那個時間段內完成，到時（大概是2022年），台積電和三星統治的5nm晶圓代工江湖，很可能出現第三家競爭者，也就是英特爾。
全產業鏈聚焦5nm
當下，5nm晶圓代工市場依然由台積電主導，三星正在緊追，英特爾也緊盯該市場。未來幾年，全球先進位程（10nm以下）市場產能總體呈現供不應求的狀態，英特爾有望以5nm為起點，在全球晶圓代工市場的先進位程領域向台積電和三星發起一波衝擊。
產能供不應求，市場需求不斷增長，這樣的市場，不僅吸引著英特爾這樣的IDM龍頭入場，產業鏈各環節上的廠商都紛紛發力，爭取在這一巨大市場分得一杯羹。
半導體設備方面，就在本周，中國中微公司董事長尹志堯表示，該公司開發的12英寸晶圓等離子刻蝕設備，已經進入了客戶的5nm製程生產線。
等離子體刻蝕機是晶片製造中的一種關鍵設備，用來在晶片上進行微觀雕刻，每個線條和深孔的加工精度都是頭髮絲直徑的幾千分之一到上萬分之一，精度控制要求非常高。
在EUV光刻機方面，全球僅有ASML一家公司掌握著EUV光刻機的核心技術，這也是5nm製程必需的設備，但EUV光刻機的成本十分高昂，每台售價高達1.2億美元，幾乎是DUV光刻機價格的2倍。
根據ASML公司發布的財報，2019全年共出貨了26台EUV光刻機，2020年交付了30多台EUV光刻機，2021年則會達到45-50台的交付量。這其中很大一部分都供給了台積電，用於擴充5nm，以及7nm產能。
作為當下5nm製程產能的領導者，台積電被多家晶片廠商追捧。最近，又有一批5nm晶片將在今年實現量產，還有的在研發當中，有望在2022和2023年實現量產，到時候，加入戰團的英特爾，有望從晶圓代工兩強台積電和三星那裡爭到一些訂單。
台積電5nm製程的最大客戶是蘋果，據報道，台積電將會在今年5月開始為蘋果生產A15處理器，搭載於今年9月份即將亮相的手機iPhone 13。
據悉，蘋果A15晶片將繼續採用5nm製程打造，整體性能表現可能與上代A14差別不大，但是由於台積電製程技術的提升，在功耗和發熱方面將有所改善。
華為海思原本是台積電5nm製程的第二大客戶，但由於受到美國制裁，海思無法獲得台積電的晶圓代工支援，空出的相關產能也受到了眾多晶片廠商的追捧，其中，AMD成為了大戶，有望緊跟蘋果之後，成為台積電5nm製程的第二大客戶。
也就是在本周，採用5nm製程的AMD Zen4架構處理器再次曝光。
在Zen3 Vermeer之後，RyzenCPU家族規划了Zen3+ Warhol和Zen4 Raphael。Zen3+的變化包括6nm製程、延續AMD4介面和對PCIe 4.0、DDR4記憶體的支援；Zen4的變化就更大了，包括5nm製程、對PCIe 5.0、DDR5記憶體的支援、新的AM5介面等，另外，消息稱Zen4 Raphael還將首次集成Navi2 GPU單元。
有猜測稱，Zen4 Raphael之所以能集成GPU，原因在於介面變化、5nm製程製程電晶體密度更大、I/O Die升級到6nm等，從而為GPU留下空間。
Zen4 Raphael將是業界首個5nm製程的x86處理器。而Zen 4架構的EPYC霄龍處理器的發布時間將會在2021年或者2022年初。Zen 4對AMD來說至關重要，因為代號為「熱那亞」的數據中心處理器將會採用全新的SP5介面，新的介面將顯著改變處理器的I/O，並支援新的DDR5記憶體標準和PCIe 5.0標準。
2020年3月，AMD公布了GPU發展路線圖，不僅包含了Radeon RX 5700 XT RDNA，還闡述了RDNA 2和RDNA 3。
其中，RDNA 3在功能方面能夠得到的消息還比較少，但從整體目標來看，AMD仍然希望能夠持續提高每瓦功率性能，功耗仍然是GPU總體性能的瓶頸，而更先進的製程製程有助於提升功率效率。
鑒於即將發布的RDNA 2可能不再局限於台積電的EUV 7nm+製程，那麼RDNA 3可能會採用台積電的5nm製程製程。
近期，三星的5nm製程也有訂單入賬，3月下旬，高通公司公布了下一款驍龍 7 系列處理器，名稱為驍龍780G 5G，採用三星 5nm 製程，代號 SM7350-AB。驍龍780G SoC 基於八核架構，是驍龍 768G 的繼任者，將瞄準低預算的5G智慧手機。
另一大手機處理器廠商聯發科也不甘示弱，該公司在2020年憑藉天璣處理器的強勁表現，打了個漂亮的翻身仗，還成為中國最大手機處理器供應商。
不久前，聯發科還發布了2021年開年產品——天璣1200/1100系列5G晶片，但該系列只是針對前代產品的小幅升級版，並未帶來真正的旗艦晶片。
近日，最新報道顯示，聯發科首款5nm製程晶片將於今年第四季度正式投產，並於明年初正式發布，是一款專門針對高端市場的旗艦產品。
此前有消息稱，聯發科5nm晶片將會被命名為天璣2000，目前已經獲得了多家中國手機廠商的訂單，明年上半年就會有搭載這款晶片的產品問世。
聯發科CEO蔡力行曾公開透露，其5nm旗艦晶片將由台積電打造，目前已經接近流片。據悉，聯發科已經向台積電預定了至少每月2萬片的5nm製程產能，以此來打造天璣2000系列旗艦處理器。
Google自研手機晶片已經不是什麼秘密了。本周，有消息稱，預計今年發布的Pixel 6手機將搭載首批Google自研的處理器，其研發代號為Whitechapel。
其實，早在去年，Google就曝光了要自研晶片的消息，當時自研的晶片已經植入手機開始了長測，該晶片由Google和三星Exynos團隊合作打造。有財經媒體爆料，去年12月Whitechapel已經流片，採用三星5nm LPE製程，8核ARM架構，主要單元包括CPU、GPU和NPU。
以上談到的是5nm製程的晶圓代工廠、半導體設備，以及眾多晶片客戶，要想實現相應晶片產品的量產，除了以上這些因素，相應的半導體材料、配件，以及各種服務工作也是不可或缺的，需要產業鏈上的合作夥伴共同參與完成。
5nm及更先進位程的發展，並不能單純依靠核心製程的創新與EUV設備的加持。從材料角度來說，光刻膠等半導體材料的創新也是製程演進的關鍵所在。
2019年，日韓之間的半導體材料大戰爆發，韓國用於製造半導體和零部件設備的光刻膠、高純度氟化氫和含氟聚醯亞胺三大半導體材料，均遭到日本的出口限制，對韓國部分重要的產業發展造成了不小的影響。
光刻膠則是這三類半導體材料中的重中之重。
在晶片製造過程中，曝光、顯影和刻蝕等重要製程步驟都與光刻膠有關，耗時佔總製程時長的40%至60%，成本也占整個晶片製造成本的35%。
有機光刻膠主要用於90nm到7nm的晶片製造，但隨著製程推進到5nm，將開始需要無機光刻膠。
目前來看，中高端光刻膠產品主要還是掌控在日本廠商手中，台積電與日本合作夥伴保持著緊密的聯繫。
對於中國大陸的半導體材料廠商來說，機會也越來越多，如安集微電子、江豐電子等都是台積電的供應商。
2016-2018年，安集微電子來自台積電的收入佔比依次是10.7%、9.7%、8.1%，但安集微主要為台積電成熟製程提供拋光液等產品。江豐電子的重要客戶中也包括台積電，其鉭靶材及環件已在應用於台積電7nm晶片中。但要想打入其5nm製程供應鏈，大陸半導體材料廠商還需要再努力。
掩模方面，家登是台積電掩模傳送盒的獨家供貨商，隨著台積電在7nm導入EUV，加上5nm量產，EUV掩模傳送盒出貨可望倍增，且導入EUV後，掩模可曝光次數為原先四分之一，帶動掩模傳送盒需求進一步提升。
除了家登之外，台積電相關設備與周邊材料供貨商，還包括承包無塵室工程廠漢唐、帆宣，以及晶圓可靠性等分析的閎康、應材備品代工廠京鼎、後段濕式製程設備弘塑、辛耘，和相關自動化及介面設備的迅得、信紘科等。
在設備維護中，可運用AI進行預測性維護。與此同時，台積電也利用深度學習方法進行自動化影像識別，對缺陷進行及時準確查詢，這方面，迅得獲得了7nm及5nm生產線自動化系統訂單。
對於測試來說，任何晶圓有錯誤就會直接報廢，同時也會按照小批量處理原則給客戶提供風險評估報告。而針對可靠性測試，如果有任何die fail，旁邊4個臨近die也會fail，邊緣的die良率低的話也會fail。台積電改善了抽測方式，以確保不會發生故障。
結語
5nm製程產能正處於爬坡階段，產業鏈的各個環節都在積極配合晶圓代工廠，未來有很大的增長空間。
在這種情況下，如果未來兩年內，英特爾真的改變製程節點命名規則的話，將會在5nm這一節點上給台積電和三星帶來一些競爭壓力。
雖說很難取得較大的市場份額，但以英特爾的體量及其雄厚的財力，必定會給5nm製程產業鏈各環節上的廠商帶來更多的盈利機會和空間。
從這一點來講，還是值得期待的。
