[SemiWiki] Intel/TSMC/Samsung先进制程2022-2025年对比(2022年4月更新)

先回顾近期历史, 2014-2019这5年间TSMC/Samsung发布了4个Nodes, 同期Intel只有2个
Intel的两个节点间密度跳跃更大, 但是将对手4个节点放一起看的话, TSMC/Samsung的密度增加幅度超过了Intel并处于领先地位

到了2020年, TSMC和Samsung都已经在生产5nm Class, 相比Intel 10nm(后改名Intel 7)来说工艺密度更高
TSMC从N7进化到N5, Samsung晚些跟上, TSMC N5以最高的密度, 最小的SRAM单元尺寸以及首个硅锗FinFET成为业界领先制程

到了2021年, 晶圆厂的前沿制程更新步伐放缓
Samsung
3nm遇到了良率问题, 预计2022年其3GAE(早期版工艺)将几乎全部用于自家内部产品, 2023年将向外部客户发布3GAP(性能版工艺)
Samsung选择了3nm HNS (Horizontal Nanosheets, 水平纳米片), Samsung称之为MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET)
它和GAAFET(Gate-All-Around FET)类似, 主要区别是GAAFET用的纳米线, 而MBCFET则是纳米片
目前基本确认的是HNS生产问题仍在解决当中, Samsung为了抢先使用HNS导致了延期和低良率
TSMC
TSMC原本定在2021年开始风险生产其FinFET 3nm, 但现在已经推迟到了2022年末
回头看的话, TSMC在2019年开始风险生产5nm, 而首个上市的N5产品是2020年Q4的iPhone 12(A14)
同理我们要到2023年才会看到3nm制程的iPhone, TSMC还将该工艺的密度目标从最初的x1.7降到约x1.6, 同时下调了性能目标
Intel
在Samsung和TSMC都在经历延期的情况下, Intel宣布了"Intel Accelerated"这个在4年内实现4个节点的激进路线图
考虑到Intel 14nm用了3年而10nm用了5年, 这确实加速了很多, 发布后很多人对其此持怀疑态度(包括原作者)
但新CEO PAT屡次在公开场合强调工艺进展顺利, 并在最近一次投资者会议中表示18A工艺将提前1年到2024年量产

2022-2025年的工艺预期
2022年
Intel 4nm(原7nm)工艺, Intel首个EUV制程, 性能比7nm(原10ESF, 如ADL)提升20%
Intel之前曾说这一代密度提高了2倍, 但现在只是讲"显著密度提高", 目前估计为x1.8
Samsung 3nm大概率仅用于内部使用, 密度x1.35, 在同等功率下性能提高35%, 在相同性能下功率降低50%
密度改进一般, 但性能和功率改进很不错, 很可能归功于采用了HNS
TSMC 3nm基于FinFET, 将提供约x1.6的密度改进, 在同等功率下性能提高10%, 在相同性能下功率降低25%
2023年
Intel 3nm(原7+)工艺, 性能提升18%, 更密集的库且EUV使用占比更多, 预计密度提高x1.09, 可以认为是半个节点更新
Samsung 3GAP可以开始供外部客户使用
TSMC 3nm出现在iPhone上
2024年
上半年Intel 20A(原5nm)性能预计提升15%, 这将是Intel的第一个HNS制程(官方称之为RibbonFET), 且还将引入背面供电(官方称之为PowerVia)
背面供电在解决了IR功率下降问题的同时使前端互连更容易,预计密度提升为x1.6
下半年Intel 18A(原5+)工艺将率先采用0.55 High-NA EUV光刻机, 性能提升10%, 预计密度提升x1.06, 和Intel 3一样属于半节点更新
18A从2025年提前到2024年, Intel表示他们已经向客户交付了测试设备
2025年
Samsung 2nm得等到2025年底, 预计采用第3代HNS(3GAE算Gen 1, 3GAP算Gen 2), 密度提升相比前几代更大估计在x1.9
TSMC在两周前正式官宣基于GAAFET的2nm工艺, 继续采用0.33 NA EUV光刻机, 2024年底风险生产, 2025年底HVM量产(相关产品则要到2026年)
预计密度提升仅x1.33, 主要考虑到这是TSMC第一个HNS工艺, 加上先前的3nm密度已经相当之高, 再往上拉不了太多
下图是各家制程晶体管预计密度对比(60% NAND Cells, 40% Scanned Flip Flop Cells)

下图是各家制程预计性能对比

可以看到, Intel未来4个制程在密度上没有之前那么激进, 反而在性能上提升较多, 根据SemiWiki在2022年4月的预估
密度: 2025年底TSMC 2nm > 2025年底Samsung 2nm > 2024下半年Intel 18A > 2023下半年TSMC 3nm > 2024上半年Intel 20A > 2023年Intel 3
性能: 2024下半年Intel 18A > 2024上半年Intel 20A > 2025年底TSMC 2nm > 2023年Intel 3 > 2025年底Samsung 2nm > 2023下半年TSMC 3nm
关于EUV光刻机产量跟不上需求的问题
根据业内人士的预估, 各大前沿制程晶圆厂未来最大的挑战是ASML EUV光刻机产量跟不上需求的问题
具体分析请看最后引用里的文章, 这里就看下汇总图
2022-2024这3年内, 对EUV工具的需求将超过供应量, 最新预测是2022年短缺18台, 2023年短缺12台, 2024年短缺20台
从EUV需求分布来看, TSMC拥有最多的EUV系统, 约占全球的一半, 其次是Samsung, 然后是Intel
在这三家公司中, Intel可能是最受EUV供应限制的公司, Intel应该超极后悔几年前排挤EUV不下订单的错误决定

Reference
https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/310900-can-intel-catch-tsmc-in-2025/
https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/intel/309633-euv-and-intel-foundry-services/
https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/311036-intel-and-the-euv-shortage/
https://www.tomshardware.com/new ... e-available-in-2026