为什么英特尔量产10nm不久后，台积电就能量产全球首个5nm？
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最近，台积电宣布将在2020年上半年量产5nm制程，曾经落后的台积为何能取得今天的成就？
文 | 包永刚
过去几十年里，摩尔定律让处理器的性能快速提升，随着摩尔定律的放缓，性能和需求之间的矛盾日益明显。一面是智能手机、HPC、AI对处理器性能不断增加的需求，另一面则是半导体制程提升的难度的大增与高昂的成本。不过，先进半导体制程依旧是提升处理器性能最为直观的办法，因此先进制程更加受到业界关注。
英特尔10nm制程一再延期之时，台积电就已经量产了7nm。当英特尔10nm制程2019年量产不久之后，台积电就将在2020年上半年量产5nm制程，曾经落后的台积电为何能取得今天的成就？
本周，台积电在上海举办一年一度的2019中国技术论坛，不过这是台积电首次邀请国内媒体参与其年度技术盛会，雷锋网受邀参加。在技术论坛的演讲中，台积电全球总裁魏哲家表示，目前市面上7nm的产品全都出自台积电。他同时透露，台积电的5nm技术已经有客户在此技术基础上设计产品，2020年第一到第二季度将会量产。
首先需要明确，台积电能取得今天的成绩，并非是一朝一夕努力的结果，并且，今天的优势并不代表未来的成功。这家目前全球最大的晶圆代工企业成立于1987年，总部位于中国台湾新竹。台积电成立之时，半导体巨头都是IDM模式，也就是一家公司要完成从设计到制造再到封测的全部工作。那是，无晶圆芯片公司在设计完芯片之后，想让有晶圆厂的巨头帮他们代工芯片并不容易。
台积电创始人张忠谋从美国回到台湾，抓住了机会成立了台积电，专门从事晶圆代工的业务，也就是人们常说的芯片代工。台积电这种商业上的创新如今看来深刻影响了半导体产业的发展，但在台积电成立之初，半导体行业处于低迷期，并且其芯片制造技术远远落后于英特尔等芯片巨头，因此他们只能靠少量的订单艰难维持生存。
但伟大的企业家总能带领公司解决挑战，在张忠谋的领导下，凭借英特尔认证的背书，加上半导体市场的转暖，台积电的营收迎来了快速增长。1995年营收已经超过10亿美元，1997年实现13亿美元营收，5.35亿美元的巨额盈利让台积电当时就成为了最赚钱的台湾企业。
不过，台积电逐步取得技术领先是在成立的20年之后。1999年，台积电领先业界推出可量产的0.18微米铜制程制造服务。2001年，台积电推出业界第一套参考设计流程，协助开发0.25微米及0.18微米的客户降低设计难度，以实现快速量产的目标。
2005年，台积电又领先业界成功试产65nm芯片。此时，随着晶体管体积的进一步缩小，难度的增加让成本大涨，众多芯片巨头都停止了对先进晶圆厂的投入，这给专门提供晶圆代工服务的台积电带来的机会。
而进一步扩大台积电实力的技术节点是28nm。进入28nm制程时，有一个关键的技术选择——先闸极(Gate-first)与后闸极(Gate-last)，格罗方德和三星都选择了先闸极技术，台积电通过认真研究两种技术，坚定地选择后闸极技术，结果台积电2011年一举成功量产，三星与格罗方德的生产良品率却始终无法提升。
为巩固优势，台积电针对智能手机芯片设计的主流制程一连推出四个版本，每年新推出的制程不但较前一代速度提高、芯片尺寸微缩4%，还省电30%。借此，台积电在28nm节点就建立了很高的壁垒。
魏哲家表示，台积电成功最主要靠三个支撑点：技术、生产和各位的信任。
台积电全球总裁魏哲家
技术路线
根据台积电的说法，台积电7nm已经获得60个NTO（New Tape Out，新产品流片），2019年将会突破100个。7nm之后，台积电推出了7nm+工艺，作为台积电首个使EUV光刻技术的节点，7nm+的逻辑密度是7nm的1.2倍，良率方面和量产的7nm相比不分伯仲。根据规划，台积电7nm+将会在2019下半年投入量产。
7nm+之后，台积电先推出的并非6nm而是5nm。魏哲家表示，5nm的生态系统设计已经完成，并且已经有客户可以开始在其技术基础上设计产品。5nm已经在风险试产，预计将在2020年第一季度到第二季度开始量产。5nm之后，台积电也规划了5nm+。
魏哲家解释称，6nm（N6）之所以选择在7nm+和5nm后推出，是希望借助7nm+和5nm的经验，让6nm比7nm+有更优的逻辑密度，且与7nm的IP相容，使用7nm+工艺的IP可以继续使用6nm工艺，减少制程复杂度的同时降低成本。
据雷锋网了解，在台积电的规划中7nm将会是一个过渡的节点，而6nm将会是一个主要节点，预计会在相当长的的一段时间内都扮演重要的角色。
产能投资
魏哲家介绍，2018年台积电的产能是1200万片的12寸晶圆，1100万片8寸晶圆，8寸晶圆相较2013年增长540万片，平均每年增加14.3%。产能的持续增长源于不断的投入，去年年底开工的台积电南京厂（晶圆十六厂，Fab 16）主要是16nm晶圆代工。另外，台积电在台南的18厂于去年1月动工，主攻5nm制程工艺。
据悉，台积电的资本支出每年将近100亿美元，过去五年总计投入近500亿美元，今年这一数值预计将超过100亿美元。
不过魏哲家强调，真正重要的不是生产，而是生产的品质。他说：“如果生产的产品品质不够好，那就不要让它出去。”因此台积电的目标是“zero excursion，zero defect（零偏移，零缺陷）”，希望客户得知这个产品生产自台积电后，就会放下心来，不会再问第二个问题。
关于台积电成功的另外一个关键因素——信任，魏哲家并没有阐述更多。但信任也非常重要，特别是向新的进程迈进的时候，无论对台积电还是客户而言都将是一笔巨额的投入，并且存在巨大的风险，台积电需要客户的信任，只有这样，台积电才能保证巨额的投入可以获得回报，当然，也只有信任，双方才能达成更多长期的合作。毕竟台积电提供的是晶圆代工服务，如果无法获得足够的晶圆代工订单，经营都将面临困境。
从目前的情况看，台积电实现了先进半导体工艺的领先，这背后是一个良性的循环。在晶圆代工中，先进的制程投入量产之初成本非常高，只有大量的生产才能快速降低成本，成本和技术的优势可以帮助代工厂获得更高的利润，最终，获得的营收又可以用于推进更先进制程的研究和量产。
以台积电为例，他们每年的资本支出就达到100亿甚至高于这一数值，如果无法从先进制程中获得足够的利润，很难支撑更先进工艺的研发，毕竟随着半导体工艺复杂度的增加，无论是研发还是生产成本都将大幅增长。并且先进制程带来高风险的同时，对营收的贡献也存在滞后性。通过台积电的营收我们可以看到，去年已经有多款7nm处理器量产，但7nm当时贡献的营收很少，到了2019 Q1，台积电7nm的营收已经高达22%，也是营收贡献最多的节点。
显然，台积电进入了一个良性循环的过程，并且在晶圆代工市场，领先者将凭借技术和时间优势将获得最多的利润，即便市占排名第二，营收和市场龙头也有巨大的差距，在这种情况下想要实现超越非常困难。
不过，即便具备优势，台积电依旧保持着对市场和竞争者的敬畏之心。现在，台积电在努力将逻辑的优势向更多领域拓展。在进入28nm之后，想通过晶体管的微缩保持芯片性能的提升已经面临巨大挑战，业界开始探索借助封装提升性能。台积电率先布局，并推出了Bumping服务，根据台积电的说法，现在超过90%的7nm客户都选择了台积电的Bumping服务。
2011年第三季度的法说会上，张忠谋毫无预兆掷出重磅炸弹──台积电要进军封装领域。他们推出的第一个先进封装产品是CoWoS（Chip on Wafer on Substrate），具体而言是将逻辑芯片和DRAM 放在硅中介层（interposer）上，然后封装在基板上。
如今，台积电的封装技术主要分为前端3D（Frontend 3D）的SoIC和WoW两种集成技术，以及后端3D（Backend 3D）的Bump（凸块）/WLCSP、CoWoS、InFO三种技术，这些技术都有助于推动系统级创新，面向不同的市场。
据介绍，CoWoS主要面向AI、服务器和网络，InFO_PoP将主要应用于手机，InFO_MS主要应用于AI推理，InFO_oS主要应用于网络。未来，3D封装将在高性能计算中发挥非常重要的作用，台积电拥有先进封装技术将非常重要。不过，台积电并不准备与封测厂争夺市场，台积电表示他们将聚焦于晶圆层面的封装。
5G作为推动未来半导体行业发展的主要技术，台积电也在进行探索RF以及模拟器件的可能性。在Wi-FI和毫米波市场，台积电在将工艺往16nm FinFET 推进，另外，台积电还将推出7nm RF，相关的Spice和SDK也会在2020年下半年准备就绪。模拟方面台积电也有广泛的布局。
台积电在手机图像传感器、高灵敏度MEMS、高端OLED、PMIC方面也有相应的技术。在存储领域，台积电的40nm RRAM在2018年上半年就进行风险试产，28nm/22 nm的RRAM也会在2019年下半年风险试产。台积电也拥有比eFlash快三倍写速度的22nm MRAM，这个工艺也在2018年下半年开始风险试产。
最后需要关注的是，半导体制程提升的两大关键是晶体管结构和材料，关于结构的进展，台积电没有透露新的消息，但材料方面提到了创新Low—k材料。
台积电引领了半导体行业晶圆代工的模式，历经三十多年，台积电成功从落后的追随者变为了领先者，也是先进处理器背后的幕后支撑者。不过，在晶圆代工领域取得领先并且处于良性周期的台积电依旧保持着对市场和所有竞争对手的敬畏，不仅在提升半导体制程关键的晶体管结构和材料持续投入，努力保持逻辑优势，也正在将逻辑优势拓展至5G、模拟等领域。还有，台积电生态超过1000名的工程师也是其很难超越的优势。
至于存储，台积电有所布局，但如何在这一领域取得领先优势，台积电的思考是关注新的存储技术而非已有的技术，这也许是台积电取得成功的重要因素之一。当然，新的技术也是台积电最有可能进行收购的动力。
还有一点，对于未来制程技术的提升，技术或许不是最难的，最大的挑战或许来自对于成本的考量。
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