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中芯国际量产14nm制程芯片 这是AIoT时代最有价值的制造

这标志着SMIC正式超越TSMC的南京12英寸工厂的16纳米工艺,超越TSMC的14纳米工艺,并正式成为世界先进的晶圆加工厂之一。这是中国半导体发展史上的一个重要里程碑。

中芯国际近日表示,通过加大研发投入,14nm制程工艺芯片已经实现量产,并将于2021年正式出货。继去年8月中芯国际首次宣布14nm芯片研发成功,到如今超预期实现量产,良率高达95%。

工艺值“纳米”指每个芯片中的最小栅极宽度。

在芯片上数十亿个晶体管的结构中,每个晶体管中的电流从源极流入漏极,栅极相当于栅极,栅极主要负责控制两端源极和漏极的通断。然而,栅极宽度决定了电流通过时的损耗。门越窄,功耗越低,性能越高。

chip工艺技术的具体价值是评价移动设备性能的关键指标。每款旗舰手机的发布通常与芯片性能的突破密切相关。

以高通2018年底发布的小龙855芯片为例。它采用7纳米工艺,集成了超过60亿个晶体管,是高通公司2017年第一季度推出的小龙835(10纳米工艺)上30亿个晶体管的两倍,性能提高了55%。然而,芯片的尺寸几乎保持不变,比直径约为1.9厘米的一便士还小。

高通小龙820、835和855被比作一分钱。目前,许多主流制造商旗舰机型,如三星S10、奥博雷诺和小米9,都已经应用了该芯片。

对于芯片制造商来说,减少工艺数量是他们不遗余力要达到的目标。然而,当栅极宽度接近20纳米时,将会遇到新的技术瓶颈,导致研发难度和成本急剧上升:由于栅极太窄,电流控制能力将急剧下降,二氧化硅绝缘层将变薄,这将容易导致电流泄漏。因此,需要光刻设备、绝缘材料、芯片栅极重组、鳍状场效应晶体管3D等新技术来突破技术壁垒。

从工艺技术的发展来看,它是从28纳米到14纳米的分水岭。随着摩尔定律逐渐失效,制造工艺更先进的芯片需要更长的时间,行业已经开始分化为工艺先进或传统工艺不同的技术能力。

六个全球集成电路晶片工艺演变表在全球半导体行中,不到10家企业可以实现14纳米工艺节点,包括英特尔、三星、TSMC、格罗夫纳、UMC、东芝、海力士、美光等。

SMIC 14纳米芯片已经大规模生产,被公认为世界先进的晶圆加工厂。此时,“中国核心”离大规模生产的最先进的7纳米制造工艺只有两代之遥,产品差距已经缩小到四年之内。

中芯国际量产14nm制程芯片 这是AIoT时代最有价值的制造

14nm意味着什么?

作为中国大陆最大的集成电路芯片制造商,SMIC在2015年成功批量生产了28纳米工艺芯片,仅用了四年时间就从28纳米跃升至14纳米,而台湾电信则花了五年时间。

技术的快速迭代与SMIC的高投资密切相关。2018年,SMIC从荷兰ASML订购了一套EUV设备(极紫外光刻机)。据说它是当时最昂贵、最先进的芯片生产工具,价值1.2亿美元。截至2019年初,该设备已按计划交付。

据ASML官方网站称,这款价值1.2亿美元的设备可以支持5纳米的工艺节点批量生产,300毫米晶圆雕刻能力为每小时155个晶圆。这为SMIC成功实现14纳米大规模生产提供了关键设备支持。有了最先进的光刻设备的支持,可以想象核心的国际距离为12纳米、10纳米甚至7纳米的时代不会太远。

SMIC四年快速技术飞跃的另一个关键在于“灵魂人物”新任联合首席执行官梁梦松。

梁梦松曾带领TSMC和三星分别突破28纳米和14纳米大关。在TSMC的17年里,梁梦松为TSMC创造了500项专利。对于每一代TSMC流程项目,梁梦松都是参与者或负责人。2011年,梁梦松加入三星半导体,担任研发部门总经理和袁晶铸造厂副总经理。加入三星后,三星在2015年比TSMC早取得了14纳米的技术成就,这导致了苹果A9芯片的原始设备制造商订单。

梁梦松辞去一切职务

除了14纳米芯片,SMIC 12纳米也进入了客户引进阶段。如果进展顺利,预计到今年年底将有几个客户推出芯片,新一代FinFET的生产线也在进行中。

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四年实现技术飞跃

据公开报道,SMIC 14纳米芯片目前有超过10个流媒体客户,包括汽车芯片客户,并且已经通过了汽车标准梯度1的测试阈值。众所周知,汽车市场对芯片质量门槛要求最高。

对于世界各地的大型芯片制造商来说,28纳米芯片技术非常成熟,生产能力似乎有点过剩。在另一端,10纳米以下的制造技术非常复杂,只有TSMC、三星和英特尔处于金字塔的顶端。

而位于两者中间的14纳米显然已经成为大多数中高端芯片的主干和主要制造工艺。

统计数据显示,2019年上半年,半导体总销售市场将达到约2000亿美元,其中65%的芯片将使用14纳米工艺技术,只有约10%的芯片将使用7纳米,约25%将使用10纳米和12纳米,14纳米可以说是应用最广泛、市场价值最高的工艺技术。

随着5G和AIoT时代的到来,特别是在智能城市、自主驾驶、安全物联网等领域,各种产品越来越丰富,芯片也逐渐专注于特殊场景的优化。特种芯片即将迎来“百花齐放”的物种爆发时代。范围广泛的AIoT场景将使14纳米工艺的芯片拥有巨大的市场空间。

目前,国内已有20多家企业投资研发人工智能芯片。然而,SMIC对关键制造工艺的控制意味着国内芯片设计公司和人工智能公司在14纳米芯片产品的应用上获得了更多自主权,从而实现了真正完整的“中国智能制造”(China Smart Manufacturing)。

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