良率與制程，晶圓廠的手心與手背

供應(yīng)鏈消息稱，由于三星電子的4nm制程良率出現(xiàn)問題，無法解決處理器發(fā)熱，可能影響到高通Snapdragon 8 Gen 1的出貨。因?yàn)槿堑牧悸蕟栴}，高通向臺(tái)積電發(fā)出邀請，希望臺(tái)積電代工生產(chǎn)新一代加強(qiáng)版的旗艦手機(jī)芯片Snapdragon 8 Gen 1 Plus。高通目前正與臺(tái)積電協(xié)商，希望能盡快交貨。在全球半導(dǎo)體供應(yīng)短缺的情況下，高通再也不想受到良率的阻礙。

據(jù)悉，臺(tái)積電將有2 萬片的產(chǎn)能可提前至4 月出貨，高通可能會(huì)用Snapdragon 8 Gen 1 Plus取代現(xiàn)有的Snapdragon 8 Gen 1。

在先進(jìn)制程的布局方面，三星比臺(tái)積電提前半年宣布量產(chǎn)3nm，并且采用全新GAA技術(shù)。想通過領(lǐng)先的制程，在晶圓代工領(lǐng)域扳回一城。

但高通放棄三星代工，想要投靠臺(tái)積電，不禁讓我們思考：良率和制程，究竟哪個(gè)才是晶圓廠的“搖錢樹”？

良率，困三星已久

三星代工生產(chǎn)的高通Snapdragon 8 Gen 1良率僅為35%左右。在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)的 Exynos 2200 的良率低于此值。 之所以高通的芯片良率高于 Exynos，是因?yàn)楦咄ǖ母吖芎图夹g(shù)人員常駐三星的代工廠，以解決良率問題。而三星原定1 月11 日舉辦Exynos 2200 發(fā)布會(huì)延后，業(yè)內(nèi)人士懷疑是因?yàn)镋xynos 2200良率過低，芯片品質(zhì)無法達(dá)標(biāo)，迫使三星變更時(shí)間。

三星位于華城的半導(dǎo)體V1工廠，于2020年2月啟動(dòng)生產(chǎn)，是全球首座將極紫外光(EUV)微影設(shè)備導(dǎo)入7nm以下制程的產(chǎn)線。不過，多名業(yè)界人士透露，該廠存在良率難以提升的問題，部分5nm產(chǎn)品的良率甚至不到50%。此外，三星在先進(jìn)制程芯片的生產(chǎn)初期，良率可能在30至40%左右，而臺(tái)積電則有60至70%，若未來先進(jìn)制程芯片量產(chǎn)，三星的良率也可能低于臺(tái)積電。

以往韓國出售的三星Galaxy S 系列機(jī)種，都采用的是三星自家處理器Exynos，可是Exynos 芯片良率差，客戶滿意度低，迫使三星決定改采高通處理器，而Exynos 芯片只會(huì)用在歐洲和東南亞市場。

三星電子因?yàn)榱悸蕟栴}一直受到Fabless的懷疑。全球5/7nm工藝的主要客戶中，只有高通、英偉達(dá)和IBM表示愿意采用三星電子的先進(jìn)工藝技術(shù)，蘋果、聯(lián)發(fā)科、AMD、英特爾、賽靈思、博通都與臺(tái)積電保持穩(wěn)定的合作關(guān)系。

近期，三星也為解決良率問題做出了努力，三星電子總部最近開始對(duì)代工部門進(jìn)行內(nèi)部審計(jì)，包括開展前任及現(xiàn)任DS部門高管訪談。核實(shí)先進(jìn)制程良率報(bào)告是否屬實(shí)，以及用于工藝改進(jìn)的資金是否被恰當(dāng)使用。

良率，是鎧甲也是軟肋

在集成電路制造中，晶圓良率就是完成所有工藝步驟后測試合格的芯片的數(shù)量與整片晶圓上的有效芯片的比值。

晶圓良率越高，同一片晶圓上產(chǎn)出的質(zhì)量合格的芯片數(shù)量就越多，如果晶圓價(jià)格是固定的，質(zhì)量合格的芯片數(shù)量越多就意味著每片晶圓的產(chǎn)量越高，每顆芯片的成本就越低，那么理所當(dāng)然，利潤也就越高。對(duì)于3D NAND晶圓廠而言，1%的良率提高可能意味著每年1.1億美元的凈利潤；而對(duì)于尖端的邏輯晶圓廠而言，1%的良率提升意味著1.5億美元的凈利潤。如果良率不足的話，也會(huì)大大影響晶圓廠的盈利能力。

此外，高良率也能提升產(chǎn)品品質(zhì)和可靠度，可以減少產(chǎn)品因良率不夠重新生產(chǎn)的次數(shù)，提高客戶滿意度和市場占有率，更能提升公司在產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的地位和利潤。而低良率則會(huì)對(duì)客戶的信任度及滿意度產(chǎn)生影響。

良率反映的是直接利潤，而先進(jìn)制程也是衡量晶圓廠技術(shù)實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)之一。

良率與制程，兩手都要抓

從芯片的進(jìn)化歷史來看，芯片的研發(fā)主要遵循著摩爾定律，即每18個(gè)月到兩年間，芯片的性能會(huì)翻一倍，使一塊芯片內(nèi)裝上盡可能多的晶體管來提升芯片性能。先進(jìn)制程把芯片從大做小，制程具體是指芯片晶體管柵極寬度的大小，數(shù)字越小對(duì)應(yīng)晶體管密度越大，芯片功耗越低，性能越高，但要實(shí)際做到這一點(diǎn)卻并不容易。

目前，能夠有量產(chǎn)先進(jìn)制程的代工廠只有臺(tái)積電與三星，雙方對(duì)于先進(jìn)制程的競爭異常激烈。

臺(tái)積電此前表示，3nm制程工藝在按計(jì)劃推進(jìn)，將在今年下半年量產(chǎn)，在明年一季度就將看到3nm工藝的營收。到2025年，將投入預(yù)計(jì)440億美元用于研發(fā)，八成費(fèi)用將用于先進(jìn)制程。

高額的投入給臺(tái)積電帶來了豐厚營收回報(bào)。2021年，臺(tái)積電在5nm的營收已超2300億元新臺(tái)幣，比去年多了1400億。有供應(yīng)鏈人士稱，蘋果給臺(tái)積電貢獻(xiàn)了超過1/4的營收，成為臺(tái)積電先進(jìn)制程的最大試驗(yàn)田。此外，AMD的Zen4處理器以及聯(lián)發(fā)科的天璣系列、高通驍龍也都是臺(tái)積電的大客戶。

三星方面則表示，今年上半年三星第一代3nm GAA制程技術(shù)將量產(chǎn)，最遲不會(huì)超過二季度，而下半年將開始商業(yè)化生產(chǎn)。

對(duì)于晶圓廠來說，良率與制程就好像手心手背上的兩塊肉，無法單獨(dú)割裂來看。

對(duì)于晶圓制造而言，通常在一個(gè)新工藝或新產(chǎn)品剛開始之初，新工藝造成的系統(tǒng)性缺陷是制約良率提升的重要因素，整體的良率都不會(huì)很高。但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行和導(dǎo)致低良率的因素被發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)，良率就會(huì)不斷地被提升?，F(xiàn)在，產(chǎn)品、新工藝或是工具，每隔幾個(gè)月或甚至幾周就會(huì)被引進(jìn)，因此提升良率就成了晶圓廠一個(gè)一直循環(huán)往復(fù)的極其重要的過程。

臺(tái)積電和三星也在先進(jìn)工藝大戰(zhàn)即將進(jìn)入3nm時(shí)代。但3nm良率拉升難度大飆，臺(tái)積電為此已不斷修正3nm制程，且劃分出N3、N3E與N3B等多個(gè)版本，尋求最合適的方案且符合不同客戶需求，但3nm制程方案到現(xiàn)在還是有很多問題，預(yù)計(jì)今年下半年月產(chǎn)能都很難達(dá)標(biāo)，而這將使得多家 IC設(shè)計(jì)客戶延長使用5nm制程的時(shí)間。

先進(jìn)制程不斷向前，良率提升已經(jīng)不單單是晶圓廠的挑戰(zhàn)，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都需要重新審視這個(gè)問題，并引入更多有效的手段和工具來提升良率。此外，如何發(fā)展先進(jìn)制程，也是高精尖的晶圓代工廠龍頭應(yīng)該思考的問題。

良率與制程，兩手都要抓，兩手都要硬。