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作为摩尔定律最忠实的追随者与推动者，台积电、三星已经挑起3nm的战局。据悉，三星已经完成了首个3nm制程的开发，计划2022年规模生产3nm芯片，此前台积电也计划2022年量产3nm。如无意外，3nm芯片将在后年到来，对半导体产业链提出新的挑战。

双雄剑指3nm

《韩国经济》杂志称，三星已成功研发出首个基于GAAFET的3nm制程，预计2022年开启量产。与7nm工艺相比，3nm工艺可将核心面积减少45%，功耗降低50%，性能提升35%。

按照三星的研发路线图，在6nm LPP之后，还有5nm LPE、4nm LPE两个节点，随后进入3nm节点，分为GAE（GAA Early）以及GAP（GAA Plus）两代。去年5月，三星的3nm GAE设计套件0.1版本已经就绪，以帮助客户尽早启动3nm设计。三星预计该技术将在下一代手机、网络、自动驾驶、人工智能及物联网等设备中使用。

以2022年量产为目标的台积电，也在按计划推进3nm研发。台积电首席执行官CC Wei曾表示，台积电在3nm节点技术开发进展顺利，已经与早期客户进行接触。台积电投资6000亿新台币的3nm宝山厂也于去年通过了用地申请，预计2020年动工，2022年量产。

台积电在7nm节点取得了绝对优势，在5nm也进展顺利，获得了苹果A14等订单。但三星并没有放松追赶的脚步，计划到2030年前在半导体业务投资1160亿美元，以增强在非内存芯片市场的实力。台积电创始人张忠谋日前对媒体表示，台积电与三星的战争还没有结束，台积电只是赢得了一两场战役，可整个战争还没有赢，目前台积电暂时占优。

制程如何走下去

众所周知，制程越小，晶体管栅极越窄，功耗越低，而集成难度和研发成本也将成倍提高。3nm是一个逼近物理极限的节点，半导体业内专家莫大康向《中国电子报》记者表示，3nm是一个焦点，不能仅靠台积电、三星的推进，还要看制造商和设备商等产业链各个环节的努力，例如环栅结构（GAA）的导入，EUV的高数值孔径镜头等。

3nm首先对芯片设计和验证仿真提出了新的挑战。

集邦咨询分析师徐绍甫向记者表示，制程微缩至3nm以下，除了芯片面积缩得更小，芯片内部信号如何有效传递是一大关键。设计完成后，如何确保验证和仿真流程的时间成本不会大幅增加，也是芯片设计的一大挑战，需要EDA从业者的共同努力。此外，在做出更小的线宽线距之后，量产和良率拉抬是非常困难的事，需要制程技术的不断优化。

为了更快实现制程迭代和产能拉升，三星研发了专利版本GAA，即MBCFET（多桥道FET）。据三星介绍，GAA基于纳米线架构，由于沟道更窄，需要更多的堆栈。三星的MBCFET则采用纳米片架构，由于沟道比纳米线宽，可以实现每堆栈更大的电流，让元件集成更加简单。通过可控的纳米片宽度，MBCFET可提供更加灵活的设计。而且MBCFET兼容FinFet，与FinFet使用同样的制作技术和设备，有利于降低制程迁移的难度，更快形成产能。

3nm也对光刻机的分辨率及套刻能力提出了更高要求。针对3nm节点，ASML将在NXE 3400C的下一代机型导入0.55高数值孔径，实现小于1.7nm的套刻误差，产能也将提升至每小时185片晶圆以上，量产时间在2022—2023年。徐绍甫表示，3nm对于光刻机曝光稳定度与光阻剂洁净度的要求更加严苛。加上3nm需要多重曝光工艺，增加了制程数目，也就意味缺陷产生机率会提高，光刻机参数调校必须缩小误差，降低容错率。另外，清洗洁净度、原子层蚀刻机与原子层成膜机等设备的精度也要提高。

针对5nm及以下节点的封装，台积电完成了对3D IC工艺的开发，预计2021年导入3D封装。3D IC能在单次封装堆叠更多的芯片，提升晶体管容量，并通过芯片之间的互联提升通信效率。

何为增长驱动力

2014—2019年，手机和高性能运算推动着先进制程按照一年一节点的节奏，从14nm走向5nm。中芯国际联合CEO赵海军表示，成功的研发方法，不变的FinFet架构、设备和材料的配合，是推动14nm向5nm发展的重要因素。

目前来看，手机和高性能计算依旧是推动摩尔定律前进的重要动力。徐绍甫指出，在应用层面上，智能手机是3nm制程的重要战场，手机芯片从业者能负担高昂的研发经费，庞大的市场总量也能够分担其研发费用。另外，HPC应用，如CPU与GPU等，需要3nm制程来提升性能表现。

3nm不是先进制程的终点，台积电对2nm已经有所规划，将以2024年量产为目标进行研发。比利时微电子研究中心（IMEC）在2019年10月召开的技术论坛上曾展示迈向1nm工艺节点的技术路线图。行业分析师表示，伴随高数值孔径EUV光刻机、选择性化学蚀刻剂、原子层精确沉积技术等的应用，未来10年，摩尔定律将继续延续。

制程要走下去，需要工艺路径的探索，也需要找到相应的商业场景。徐绍甫表示，2nm之后的应用性与必要性还难以定义，从实验室走向量产具有相当的难度，必须具备获利能力才具有开发意义，在材料选择、制程技术、后段晶圆封装上势必要持续优化。

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