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整理包/晶圓代工強權爭霸戰 台積電先進製程為何那麼強? 讓英特爾認錯 三星受挫

隨著台積電、英特爾等產業龍頭角力,半導體成為最重要的資源。路透
隨著台積電、英特爾等產業龍頭角力,半導體成為最重要的資源。路透

本文共3797字

經濟日報 新聞部新媒體中心/編輯吳思妤整理

隨著台積電、英特爾、三星等產業龍頭角力,半導體成為最重要的資源,國與國之間的競爭更是不容小覷。半導體裡重要的元件「晶片」是什麼?而「先進製程」與「成熟製程」分別又是什麼呢?台積電又憑著什麼樣的能力穩坐晶圓代工龍頭寶座?《經濟日報》整理相關內容,供讀者參考。

晶片的誕生

起初,由真空管製成的電腦過於笨重且昂貴,隨後被電晶體取代,電晶體帶來的方便性包含造價相對便宜且穩定,加上為了使運算效能提高,之後才有積體電路的誕生,積體電路(Integrated Circuit)簡寫成 IC,也就是所謂的晶片。現今我們生活中大大小小的電器中都少不了它,不管是手機、筆電,甚至是電動車等領域,可以說是有著重要功能的「心臟」。

開始談半導體製程之前,要先從「摩爾定律」說起。根據《晶片戰爭》書中提到,「 摩爾定律 小詞典 摩爾定律 摩爾定律(Moore's Law)由英特爾(Intel)名譽董事長高登.摩爾(Golden Moore)經過長期觀察後於1965年提出,後續成為業界常見的參考資訊。 內容指出一個尺寸相同的晶片,在售價相同的情形下,所容納的電晶體數量,因製程技術的提升,每18個月會加倍,但售價相同。 該定律在過去30年推動IC設計發展,不過,隨IC尺寸越來越小,不少人擔心「物理上」的的極限恐怕將在不久後到來,甚至有人脫口「摩爾定律已死」的概念。 」是由快捷半導體與英特爾的共同創辦人高登.摩爾(Gordon Moore)於1965年提出,該定律預測每個晶片的運算力每兩年就會增加一倍。也就是說,一個尺寸相同的晶片,在售價相同的情形下,所容納的電晶體數量,因製程技術的提升,每18個月會加倍,但售價相同。

小辭典

半導體是什麼?

半導體(Semiconductor)是一種導電率在絕緣體至導體之間的物質。導電率容易受控制的半導體,可作為資訊處理的元件材料。

從科技或是經濟發展的角度來看,半導體非常重要。很多電子產品,如電腦、行動電話、數位錄音機的核心單元都是利用半導體的導電率變化來處理資訊。

常見的半導體材料有:第一代(另一種定義/說法:第一「類」。以下第二、三代,同)的矽、鍺,第二代的砷化鎵、磷化銦,第三代的氮化鎵、碳化矽等;而矽更是各種半導體材料中,在商業應用上最具有影響力的一種。

先進製程 vs 成熟製程

接著,再來談談什麼是半導體製程,那些常聽見的台積電(2330)3奈米製程、5奈米製程代表著什麼意思?先進製程與成熟製程和這些數字有關嗎?

根據 SEMI 報導,這些製程命名主要是依照晶片內「閘極」長度而定,不過目前市場上對於成熟製程其實未有明確定義劃分,但主要以7奈米作為分水嶺,5奈米及3奈米等稱之為先進製程(Advanced Process),而7奈米以上則包括16奈米及28奈米等可稱為成熟製程(Mature Process),其終端應用需求也有顯著差異。

有著「護國神山」之稱的台積電則在2019年宣布,在7奈米製程首度導入 EUV 微影技術,此舉一路為6奈米、5奈米、3奈米等更先進的製程奠定了良好基礎。

5奈米家族

根據台積電官網上的說明,台積電於2020年領先業界量產5奈米鰭式場效電晶體(5nm FinFET, N5)技術,協助客戶實現智慧型手機及高效能運算等產品的創新。此一技術是繼7奈米 FinFET 強效版(N7+)之後第二代使用極紫外光(EUV)技術的製程。

繼 N5 製程技術之後,台積電後續推出加強版的製程,使得效能更良好,5奈米家族包含 N5P、N4 及 N4P 製程、為高效能運算應用量身打造的 N4X 製程,以及支援車用電子應用的 N5A 製程。

3奈米家族

而由5奈米製程進階到3奈米製程,台積電則於2022年領先業界成功大量量產3奈米鰭式場效電晶體(3nm FinFET, N3)製程技術。N3 為業界最先進的半導體邏輯製程技術,具備最佳的效能、功耗及面積(PPA),是繼5奈米(N5)製程技術之後的另一個全世代製程。

繼 N3 製程技術後,後續推出支援強化版 N3E 及 N3P 製程。此外,3奈米家族還包括為高效能運算應用量身打造的 N3X 製程,以及支援車用客戶及早採用業界最先進製程技術的 N3AE 解決方案。N3A 技術則將於2026年完成認證並開始量產。

台積電製程演變。圖片來源/取自台積電官網
台積電製程演變。圖片來源/取自台積電官網

英特爾認錯 未及時抓到台積電成功祕訣

作為台積電可敬的對手英特爾,曾在三年前,喊出要大舉進軍晶圓代工產業,震撼市場。然而,英特爾這一路來顯然沒有及時抓到台積電成功的「祕訣」之一,因為執行長基辛格在4月初的一場投資人會議上透露,英特爾甚至在一年多前,還反對使用 ASML 的極紫外光(EUV)微影設備。一連串的決策下,與台積電的差異逐漸拉大。

根據 Redefine Innovation 的報導,分析研究公司 TechInsights 提出一頁關於台積電、英特爾、三星的最新製程進度比較。其中拉出台積電與英特爾特別討論,先前台積電 CEO 魏哲家評論自家的3奈米效能比英特爾 18A 更好,看來可以從這個表格中驗證。

因為英特爾沒有公布能耗的數值,但就電晶體密度來說,不管是台積電的 N3 或是 N3E 製程,其電晶體密度 283MTx/mm2(或是273MTx/mm2),都高過英特爾 18A 的 195MTx/mm2 不少。

另外值得注意的是,英特爾在 18A 就採用晶背供電技術(Backside power)的設計,對降低能耗有一定的幫助。但從目前的數字上看起來,英特爾 18A 要大幅超越台積電3奈米的性能是不太可能。

三星喊出2027年超車台積電 但仍受挫良率無法提升

而三星也全力衝刺先進封裝市場,喊出2025年前導入2奈米生產行動應用相關晶片,與台積電規劃2奈米量產時程相當,並領先台積電要在2027年量產更先進的1.4奈米晶片,力圖彎道超車台積電的意味濃厚。

根據《韓國經濟日報》報導,南韓三星電子半導體事業主管慶桂顯2023年5月表示:「老實說,我們的晶圓代工技術落後台積電一到兩年,但一旦台積電加入我們的2奈米科技競賽,三星將領先」,「我們能在未來五年內超越台積電」。2023年6月宣布了2奈米製程的詳細藍圖,為爭搶國際大廠下世代新晶片代工訂單。根據英國金融時報(FT)分析,若良率無法提升,將成為三星彎道超車的一大障礙。

然而,根據產業消息人士2月15日的說法,三星電子已取得日本 AI 新創公司 Preferred Networks(PFN)的訂單,生產基於2奈米製程的半導體,包括 AI 加速器。不過,一位晶圓代工產業人士表示:「從像是 PFN 這類無廠半導體公司角度來看,要評估三星電子和台積電還沒量產的2奈米製程,有太多的變數。焦點很可能是放在供應方面,像是六方氮化硼(HBN)的順利供應、以及降低對台積電的依賴。」

半導體最新製程比較。新媒體中心製表
半導體最新製程比較。新媒體中心製表

台積電「不與客戶競爭」信念 穩坐龍頭寶座

說起半導體產業,台積電絕對佔有一席之地,其中,就要談談創辦人張忠謀的創業故事。華爾街日報專欄作家柯恩(Ben Cohen)指出,從人來沒有人能在這樣的中壯年,創建像台積電這等市值的公司。柯恩說,張忠謀在中年再造自己的職涯,然後顛覆了半導體業。

張忠謀談到他在美國工作30年後搬到台灣,帶著一股執著:「我想建立一家強大的半導體公司。」他建立的公司和當年的半導體公司完全不同。台積電本身並不設計也不銷售晶片,這在台積電出現之前,根本是天方夜譚。當年,半導體業者都自己生產自己設計的晶片。張忠謀對於建立一家強大半導體公司的激進想法是:專門製造客戶設計的晶片,而不設計或銷售自己的晶片,不和客戶競爭。如此一來,晶片公司就不必費心經營自己的晶圓廠。

這個晶圓代工背後的創新商業模式,接著徹底翻轉了整個半導體業,也讓台積電成為全球經濟不可或缺的一環。柯恩形容,台積電是美國人最依賴卻所知最有限的公司,張忠謀也並非家喻戶曉的名字,但他卻在這70年塑造了晶片業,且至今仍然扮演重要角色。《晶片戰爭》作者米勒(Chris Miller)便說:「沒有什麼人比他更有影響力。」

同場加映

大老闆們的書單!《晶片戰爭》沒有一章專講台積電,但書裡到處都是台積電的影子

輝達(Nvidia)。路透
輝達(Nvidia)。路透

而台積電其中一個客戶輝達(Nvidia),在先前的 GTC 大會上發布最新產品,推出最新的 Blackwell 架構,也發表由 GB200 Grace Blackwell 超級晶片驅動的下一代 AI 超級電腦 DGX SuperPOD。Blackwell 架構 GPU 配備2080億個電晶體,採用台積電客製化4奈米製程打造。

黃仁勳表示,30年來,我們一直追求加速運算,目標是實現深度學習與 AI 等變革性突破。生成式 AI 是這個時代的決定性技術,而 Blackwell GPU 是推動這場新工業革命的引擎。我們將與世界上最具活力的公司合作,實現人工智慧對每個產業的承諾。」

台積電總裁魏哲家指出,公司與輝達合作,將 GPU 加速運算整合到公司工作流程中,從而實現效能大幅躍升、顯著提高生產率、縮短周期時間及降低功耗需求。

AI 世代來襲,未來台積電與各個客戶之間的合作,又會在半導體產業激出什麼火花呢?我們拭目以待。

(資料來源:編譯葉亭均、劉忠勇、湯淑君、易起宇、陳苓、林聰毅、記者尹慧中、鐘惠玲、書籍《晶片戰爭》、《矽島的危與機》、網站semi、《科技洋芋片》專欄、台積電官網、科技新報、Redefine Innovation、SemiWiki)

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