智东西（公众号：zhidxcom） 摩尔定律似一把离弦的箭，自1965年穿越了半个多世纪，掠过无数狼烟四起的芯片制程战场，这次它又将稳稳地瞄准5nm制程赛的靶心。 回味上一场由台积电和三星搅起的7nm制程战局，战事尚未真正落下帷幕，然而在业界普遍看来胜负已分。 但芯片制程这片江湖从不缺刀光剑影与称霸的野心。先进制程的纷争一波未平一波又起，台积电和三星这两位“宿敌”，正紧锣密鼓地筹备新一轮5nm战事。而2019年，也就成了这两家接连喊话5nm制程战局的一年。 这厢三星刚公布技术路线图，谈流片、谈量产、谈合作；那厢台积电就紧接迎来试产阶段，秀良率、秀产能，你方唱罢我登场。 另一旁沉默许久的老势力英特尔也蠢蠢欲动，前些日子宣布它将在几年内重回7nm战局，并首次谈及5nm研发，欲抢下5nm赛局为数不多的“早鸟票”。 纵观今天下大势，随着5G和AI技术的发展，以及大数据的爆炸式激增，未来新产业、新应用的计算需求和功耗也正等着5nm芯片战果的嗷嗷待哺，催促着整个半导体产业链不断冲刺物理极限的天花板，火拼先进制程给摩尔定律续命。 刀锋至此，台积电、三星、英特尔摩拳擦掌，5nm战争即将一触即发。
有意思的是，5nm战事与以往有着些许不同，左右局势胜利的关键因素正在悄然发生变化。 5nm先进制程已不仅仅是代工厂商之间的战争，它亦是核心工艺和半导体材料走到极限的重要转折节点。 那么，这些玩家为何要奋力拼杀5nm制程？目前它们的战局如何？若要拿下5nm制程的王座，它们又该从哪里撬开核心工艺与新材料的突破口？ 这次，智东西将目光聚焦在5nm制程预热赛中，通过深度调查，探究芯片制程在演进背后的核心与关键。在剖析它们是如何刷新摩尔定律下限的同时，我们也试图从这场制程节点比拼的火光中窥见，这场战争将会对产业链的哪些环节带来颠覆性的影响。 一、5nm制程：摩尔定律发展的重要转折点引得战火纷纷的5nm究竟能给行业带来什么？ 一位国内头部芯片设计企业的技术专家告诉智东西：“从行业最直观的受益来讲，无非是让产品获得更高算力的同时，还能保持相同甚至更低的功耗，整体性能进一步加强。”他这种观点也已成为芯片行业的共识。 这也与英特尔创始人之一，戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律息息相关。他认为，集成电路上可容纳的晶体管数量，每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。 当芯片制程演进到5nm，它晶体管的集成度和精细化程度都要比以往更高，可容纳更复杂的电路设计，并将更丰富的功能融入其中。 但从目前行业的普遍应用上看，许多产品用28nm、14nm，甚至10nm就已绰绰有余，再费劲花更高的成本与精力来研发5nm制程，暂且看来就是个赔本的买卖。 部分业内人士认为，不是所有行业都对5nm有着强劲的需求，它在现阶段并非多数市场的刚需。 话虽如此，当我们把目光放至未来，随着5G和AI技术的发展，以及全球大数据的爆发式增长，5G智能终端、VR/AR产品、机器人、AI和超算等产品的成熟和应用，都将对芯片的性能、能耗和算力都有着更加严格的要求。 从另一个维度来说，业内普遍认为，芯片这类硬件的发展也将催生出新的应用生态，或是对早已成熟的市场带来革命性的颠覆。 例如，当下因苹果AirPods而重新迎来第二次黄金时代的TWS（真无线立体声耳机）市场，各大厂商使用的蓝牙芯片制程尚未踏入7nm领域，大多聚集在28nm至12nm中。 但随着市场需求倒逼着蓝牙芯片的发展，未来各家厂商为了能在更小的芯片中集成更多的功能与应用，也将逐渐推动蓝牙芯片朝着7nm甚至是5nm制程演进。 不可否认，5nm制程的演进是各项技术和产业逐步成熟、变革的必经之路，亦是根基。
▲半导体代工厂制程路线图 二、5nm制程战局三足鼎立随着先进制程的不断演进，工艺研发的门槛越来越高，成本与技术逐渐成为一座座制程演进的分水岭。 目前行业中布局5nm制程的玩家，主要有台积电、三星和英特尔三足鼎立。其中，台积电和三星的对峙最为激烈，淡出赛局许久的英特尔则在一旁蓄势待发。 过去一年以来，5nm芯片试产、量产和良率等消息的不断释放，持续刺激着业界神经。 具体地说，这些玩家都在比拼些什么呢？ 从现阶段玩家打出的牌面来看，它们主要在拼技术路线、研发进度、工艺性能和客户订单这四个方面。 1、技术路线：台积电抢先，英特尔殿后 今年6月，台积电率先出击，将芯片代工计划路线图在众人面前缓缓铺开。 台积电的5nm研发节奏较快些，它已在今年三月进入了风险试产阶段，并预估于明年2月量产。
▲台积电公布的5nm工艺进展和技术特性 紧接着，在台积电公布后的一个月，三星的研发路线图也随之亮相。 6nm、5nm和4nm工艺将接踵而至，三星表示5nm LPE（5nm Low Power Early）工艺将在今年内完成流片，并于明年上半年投入量产。
▲三星最新公布的芯片制程路线图 与10nm制程相爱相杀许久的英特尔，虽然没有对先前的7nm战局表现出太多的热情，但在今年10月，它也终于抛出了未来四年的规划进程，第一次喊话5nm。 相比之下，英特尔的5nm制程离量产还要晚上几年，它也并未透露更多具体的时间和信息，仅表示目前工艺研发进程可观，若一切正常，将在2023年正式推出。 2、研发进度：台积电产能进度可观 三星在10月底发布的2019年Q3财报时提到，其5nm EUV工艺已进入流片阶段。 这家公司还走了一条生态联合的路线，在10月宣布自己将与ARM、新思科技（Synopsys）携手开发一整套优化工具及IP，让芯片厂商在三星5nm工艺的基础上，快速打造基于ARM Herculues CPU核心的芯片。 台积电的研发进度则显得更加直接。据业内人士透露，目前台积电5nm的试产良率已经达到50%，且月产能也已从最初的4.5万片晶圆涨至8万片，几乎翻了一番。 3、工艺性能：三星芯片功耗稍逊一成 实际上，三星的5nm LPE工艺沿用了7nm LPP（Low Power Plus）工艺的晶体管和SRAM，性能相比7nm增强了10%，逻辑效率提升25％，功耗也将降低20％。 另一方面，台积电总裁魏哲家曾表示，与自身的7nm工艺相比，其5nm晶体管密度将有80%的提升，运算速率也将提升20%，功耗则降低30%。 4、客户订单：三星默声，台积电确定两大客户 与自身的研发进度一样，对于目前拿到的5nm订单，三星除了确认已有客户外，并未放出更多讯息。 台积电的5nm良率虽还有较大提升空间，但一些大客户看到台积电势头渐涨的5nm工艺，也忍不住先捷足先登抢产能。 就在上个月，台积电官方谈到，自家首批5nm工艺已顺利拿下苹果和华为海思两大客户，将分别打造苹果A14芯片，以及华为新一代麒麟芯片。
5nm战局尚处于预热赛阶段，目前仍以台积电和三星的相互较劲为主要看点，而拿到5nm制程入场券的英特尔，离真正踏入赛道还有较远一段距离。 三、5nm制程之战的三大焦点5nm制程之战爆发，无疑是对摩尔定律的再一次艰难推进。 它与以往节点最大的不同在于，5nm制程将是一场涉及代工厂、设备厂和材料厂等全产业链战局的大爆发，其中核心工艺、EUV设备还是半导体材料，都将走到极限。 而这，也成为了5nm制程的三大革新焦点： 1、核心工艺：FinFET与FD-SOI孰美？ 从目前业内的芯片制造核心工艺来看，FinFET与FD-SOI是最重要的两项技术，摩尔定律在它们的基础上不断向前推进。 关于这两项工艺哪个更胜一筹，也一直是业界争论的焦点。 （1）FinFET：3D晶体管设计的重要转折点 FinFET（Fin Field-Effect Transistor）又称鳍式场效晶体管，由加州大学伯克利分校胡正名教授发明，极大地推动了摩尔定律的发展。 作为芯片从平面器件转向3D器件构造的重要突破口，FinFET的意义十分重大。
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