摩尔定律续命至 1.5 纳米!未来十年谁将从中得利?

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  问世 50 年的摩尔定律是支撑全球近 5,000 亿美元半导体产值的最大依归,然摩尔定律是否已经走上末路?是近几年来半导体人最热衷论战的话题。

  日前,摩根大通发布一份报告,揭露 ASML 有能力支撑工艺技术到 1.5 纳米节点,让摩尔定律续命至 2030 年,再度将该定律的“生命年限”推至风口浪尖上,因为当中攸关全球每一家半导体企业的竞争年限。

  全球很少有这样的一家公司:某项产品市占率在全球高达 100%,前三大客户族群是英特尔、台积电、三星这样的超级大企业,当公司的新技术开发需要资金时,客户都毫不犹豫地从口袋掏出钱来投资,深怕该技术断炊,但是,从来没有人会指控这家公司有“垄断”的疑虑。

  这家公司就是手上掌握着续命摩尔定律核心技术的 ASML,其极紫外光(EUV)光刻机的开发成功,让英特尔、台积电、三星这三家半导体巨擘得以顺利朝 10 纳米、 7 纳米、 5 纳米工艺节点前进,都很怕 ASML 的 EUV 技术研发不出来,半导体技术制程的推前因此而停摆!

  

  5 年前 ASML 提出一个客户入股投资计划来为研发 EUV 光刻机筹资,三大客户英特尔、台积电、三星全都买单,没有一家敢说不 ! 一来怕 ASML 的 EUV 光刻机技术研发不出来,二来更怕 ASML 的新光刻机技术研发出来了,但因为自己没参与投资,让竞争对手捡个便宜。

  摩尔定律运行长达 50 年,是全球 5,000 亿美元半导体产值的根基

  所谓的摩尔定律是由英特尔公司创办人之一的戈登·摩尔提出,1 颗芯片上可容纳的晶体管数目每隔 18~24 个月便增加 1 倍,全球半导体产业依循着这个逻辑运行 50 年,创造出全球将近 5,000 亿美元的产业价值。

  2015 年,摩尔定律欢庆 50 周年,摩尔本人在接受 IEEE 期刊《Spectrum》专访中透露,当年他在发表摩尔定律的文章时,只是想分享趋势观察,没想到该理论后来变成半导体产业发展的定律。而后人陆续将摩尔定律解读为是一种经济定律,它并不是一个非常严谨的技术铁律。

  为什么摩尔定律是一种经济定律?我们这样解释,很多人说若 ASML 的 EUV 光刻机没有成功研发,摩尔定律就会因此失效?其实 7 纳米工艺以下如果不采用 ASML 的 EUV 光刻机,在技术上仍是可继续生产制造 7 纳米工艺,可以用多重曝光(Multi-Pattering)作为 EUV 光刻机的替代,只是成本会变得非常高。

  试想,以前的工艺节点在生产过程中只要一次曝光,现在 7 纳米要曝光 3 ~ 4 次,生产成本当然会大幅变高,投资回收比会下降,代表着推动摩尔定律的代价变得很高,因此把该定律解释为经济定律,会比视为一种技术铁律会更为适合。

  正因如此,ASML 在光刻机技术上屡屡突破,才变得如此备受关注。ASML 的 EUV 光刻机技术的突破,是指每小时曝光的晶圆片数增近到符合量产经济的水准,让英特尔、台积电、三星都可以在高端技术上导入 EUV 光刻机。

  

  ASML 的 EUV 光刻机今年的吞吐量(throughput)已经达到每小时曝光 125 片晶圆的量产里程碑,更让人兴奋的是,在实验室中已经达到每小时吞吐量 140 片的目标,年年突破的进度让半导体大厂为之振奋。

  ASML 的 EUV 光刻机一台价格高达一亿欧元,根据公司估计,今年将完成 20 台出货量,预估明年出货量提升至 30 台,全力协助客户达到量产目标。

  ASML 也揭露下一代 EUV 系统高数值孔径 (High-NA)EUV 产品的规划,宣布已经获得三家客户订购四台订单,同时也售出 8 个 High-NA EUV 机台的优先购买权 (options)。

  ASML 是如何连续 16 年以 85% 份额稳坐半导体光刻龙头?

  ASML 在半导体光刻设备领域以 85% 份额连续 16 年稳居龙头,其次是 Nikon 份额 10.3%,以及 Canon 份额 4.3%,这两大日商被 ASML 狠狠甩在后面,EUV 光刻机上具有垄断地位当然是最关键原因,但时间推回十多年前,一场 ASML 和台积电联手改变光刻技术的方向,也是重要关键。

  十多年前半导体制程从 0.13 微米、 90 纳米一直发展到 65 纳米节点之际出现瓶颈,当时全球半导体大厂都已经投入数十亿美元在 157 纳米波长光刻技术的研发,只有台积电当时的技术发展处资深处长林本坚提出以水为介质的浸润式技术,取代原本以空气作为镜头与晶圆之间为介质的“干式”曝光技术,并成功说服 ASML 采用此技术概念,之后其他两家日商当然也是跟进。

  这一场“干式”转“湿式”的战役,成功让台积电在半导体技术上站上主导地位,奠定在晶圆代工领域不断攀高的关键,同时,ASML 和台积电之间的技术配合也越来越紧密,其在光刻技术领域的市占率逐渐把日本企业甩在后面。

  之后,ASML 也针对细项领域进行强化投资,尤其是镜头技术一直是制约光刻设备发展的关键,因此 ASML 在 2013 年收购光源大厂 Cymer 后,也在 2016 年投资德国镜头大厂蔡司,布局 EUV 下一代系统 Hight NA 光学系统技术,而 ASML 和蔡司原本就是紧密的技术合作伙伴。

  

  ASML 进入 3 纳米结点后,将升级 EUV 技术采用 NA 高数值孔径的光学系统,日前更证实在技术蓝图上于 2030 年实现 1.5 纳米技术是可行的,这些都让半导体业界振奋,摩尔定律还有十多的时间可走,EUV 光刻机的技术会一直强化支持该定律。

  为摩尔定律续命是众人责任,三星 GAA 晶体管朝 3 纳米前进

  要拉长摩尔定律的生命年限也不单只是 ASML 一家企业的责任,整个半导体业界都倾全力前进,三星、英特尔、台积电也投入 FinFET 技术的下一代接班人环绕式闸极晶体管(Gate- all-around ; GAA)的技术开发,GAA 晶体管是场效晶体管(FET),在通道的四个侧面都有一个闸极,用于克服 FinFET 的实体微缩和性能限制。

  其中,三星的态度非常积极,预计在 3 纳米工艺节点上导入,计划 2021 年量产。

  

  半导体晶体管从平面排列,到 20 纳米以下转为 FinFET 鳍式排列的架构,未来 3 纳米工艺节点左右,又将转入 GAA 晶体管技术,大家的努力都是为了延长摩尔定律的有效时间。

  此外,鳍式场效应晶体管(FinFET)和全耗尽型绝缘层上硅晶体管(FD-SOI)两大创新技术的发明人胡正明也成功延续摩尔定律的生命,FinFET 让高端技术走到 10/7/5 纳米以下,而 FD-SOI 开创一条主流技术以外的道路,且两大技术分别被英特尔、台积电、三星采用,也运用在苹果产品上。

  胡正明曾经表示,以前技术是通过测量线宽来进行微缩,当半导体工艺走到 14/10/7 纳米节点,真正应该在意的是成本、速度、功耗、性能,而推动半导体微型化的方式不一定是减少尺寸,也可以朝 3D 技术下手。

  钰创董事长卢超群也分析,半导体进入 FinFET 时代,工艺技术所代表的数字意义和实质线宽的微缩已脱勾,这就是为什么英特尔认为自家的 10 纳米技术,相当于等于台积电和三星的 16 /14 纳米工艺节点。

  再者,封装测试技术的精进,目的也是为了延续摩尔定律效益。台积电十年前就低调布局封装测试领域,是看到摩尔定律的极限,经过多年的鸭子划水,台积电提出 CoWOS 和 InFO 两大封装技术,且苹果在 iPhone 的导入,携手成为续命摩尔定律的成功表率。

  无论是台积电跨入后端封测布局、 FinFET 技术的开发、 ASML 将光刻机的技术蓝图推至 2030 年 1.5 纳米、三星提出环绕式闸极晶体管 GAA 架构等,大家的目的都是让全球 5,000 亿美元产值的半导体产业延续。

  未来十年摩尔定律效应递减 ,为中国半导体厂营造追赶机会

  随着 ASML 将技术蓝图推展至 1.5 纳米,摩尔定律还有至少 10 年的时间。只是,过往半导体制程是每两年前进一个技术世代,未来可能是 3~5 年才前进一阶,整个产业的效益放缓是必然趋势,这也带给中国半导体大厂一个很好前进追赶的机会,奋力追上主流的工艺技术。

  然 10 纳米以下的路不好走,看看英特尔的 10 纳米问世的时间点迟到多次,日前宣布再度延到 2019 年上市即可窥知一二,连半导体技术巨擘都面临技术突破上的挑战,未来后进者的道路也不会是一条坦途。

  未来半导体世界的竞争,仍会是第一、第二、第三梯次壁垒分明。5 纳米以下技术可行,但技术难度和投资成本拉高,第一梯次包括台积电、三星、英特尔、 GlobalFoundries 已经申请参赛。

  摩尔定律的效应趋缓下,代表前方的道路越来越难突破,这提供给中国半导体厂很好追赶的条件,只是技术持续提升的成本投资会大幅垫高,愿意加一把劲儿者,有机会挤入国际第一梯次队伍,这样的投资报酬率很迷人,更让中国芯片自主可控不再是遥不可及的梦想,中国半导体产业现在正在培养“国家队”,而培育出“国际队”的关键时间点,就在未来十年。

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