7nm晶片来了！三星量产7LPP EUV制程

晶圆代工大厂——台积电和三星争相较劲先进制程，究竟谁能最先推出首款采用极紫外光(EUV)微影技术制造的7奈米晶片？

继台积电(TSMC)于本月初投片采用EUV微影技术的首款7+奈米晶片后，三星电子(Samsung)也宣佈投片并逐步量产多款7奈米(nm) EUV晶片。为了迎头赶上台积电的生态系统，三星还将大力支持其IP和EDA基础设施，并详细介绍其封装能力。

在本週于美国硅谷举行的Samsung Tech Day上，三星宣佈采用EUV的7奈米LPP (Low Power Plus)制程研发完成，正式进入商用化量产，未来也将在此技术基础上朝5nm、3nm前进。此外，三星并宣佈出样基于其16-Gbit DRAM晶片的256-GByte RDIMM，并计划采用内建赛灵思(Xilinx) FPGA的固态硬碟(SSD)。

不过，7nm商用化量产还是此次活动的亮点，再加上该公司内部开发的EUV光罩检测系统，正象徵著三星的一个发展里程碑。

相较于其10nm节点，三星的7LPP制程能缩小多达40%的晶片面积，速度提高20%，并降低50%的功耗。此外，三星表示目前拥有50家代工合作伙伴，包括Ansys、Arm、Cadence (拥有7nm数位和类比设计流程)、Mentor、Synopsys和VeriSilicon，均表示采用7nm制程投片。

据称7LPP制程吸引了多方的兴趣，包括网路巨擘、网路公司和高通(Qualcomm)等手机供应商等客户。然而，三星预计最早要到明年年初之后，才可能会有客户发佈相关消息

三星代工行销总监Bob Stear表示，自今年初华城S3厂引进EUV设备以来，EUV系统一直维持在支援250W光源。目前的功率级可将产量提高到生产1,500片晶圆/天。他说，从那以后，EUV系统逐渐可达到280W峰值，而三星的目标是进一步提高功率到300W

三星华城S3厂EUV产线（来源：Samsung)

Stear指出，相较于传统氟化氩(ArF)系统需要五层光罩，EUV所需的层数较少，因此降低了成本而使得良率提升。不过，该技术节点在前段制程(FEOL)仍然需要进行多重曝光。

三星开发了自家的系统，用于比较并调整预期和实际的光罩图案，以加速其EUV投产。由于目前尚不清楚它是否与典型的第三方检测系统一样自动化，VLSI Research执行长G. Dan Hutcheson认为它更像是一套光罩检查系统。

三星预计其7nm节点将在今年年底前通过Grade 1 AEC-Q100汽车标准。在封装方面，三星正在开发一种重分佈层(RDL)中介层，可在单个元件上安装多达8个高频宽记忆体(HBM)堆叠。该公司并致力于在基板中嵌入被动元件，以节省资料中心晶片的空间。

三星代工行销总监Bob Stear展示三星S3厂生产的7nm EUV晶圆（来源：EE Times）

EUV光罩护膜可能延迟5nm？

市场研究机构International Business Strategies (IBS)执行长Handel Jones说，三星和台积电在7nm阶段都可能只将EUV用于两个晶片层，因为光罩护薄还在开发中，因此至今还未能使用。到了5nm时，他们很可能将EUV扩展至6层，但这至少要到2021年后了，届时的光罩护膜将有足够的耐用性和光传输能力。

Jones说：「三星大约提前了六个月采用EUV制程，因为他们一直在DRAM和逻辑制程中使用这一系统，但台积电在使用IP和工具方面处于领先地位，而且也有更多的客户合作关系，如超微(AMD)、苹果(Apple)、海思(HiSilicon)和辉达(Nvidia)等。」

另一位分析师表示，思科(Cisco)原本是IBM代工业务的客户，目前正与台积电合作开发7nm产品。而高通的7nm设计预计将分别交由台积电和三星代工。

尽管如此，Jones预测这家韩国巨擘的营收可望在今年达到900亿美元，甚至到2027年可能超过1,500亿美元。从三星记忆体业务的成长力道来看，Jones估计其DRAM和NAND销售将分别达到50%的和45%的佔有率。

三星可望顺利在明年6月之前开始量产5nm和4nm节点，在相同的技术基础上实现突破性的进展。Stear说，这一制程节点的PDK预计在今年年底前发佈，并将在S3厂旁为EUV打造另一条产线。

这三种制程节点将使触点更接近并最终移动到闸极上方，以增加密度并减少金属间距。这是英特尔(Intel)先前针对其10nm节点所讨论的一种方法，但尚未量产。

Stear说：「我们正逐步处理闸极上触点(contact-over-gate)。正如有些人发现的，这是一个难以解决的问题。」

三星于今年5月宣佈计划转向闸极全环(gate-all-around；GAA)电晶体，或称为奈米片，用于3nm节点。其目标在于将标称电压降至新低点，以持续降低功率。预计在今年六月就能提供用于3nm节点的第一版0.1 PDK。

三星介绍内部开发的一系列封装技术进展

记忆体发展蓝图

在其核心记忆体业务方面，三星表示开始出样采用其16-Gbit晶片制造的256GB RDIMM。这些储存卡能以高达3,200MHz的DDR4速度运行，支援50ns读写，应该可以在今年年底前投产。

这些记忆体晶片采用一年前发佈的1y奈米制程制造。但未来1y制程是否导入EUV，目前尚不清楚。然而，三星DRAM开发主管Seong Jin Jang指出，后续的1z和1a制程节点将越来越广泛地使用EUV。

三星并展示在AMD EPYC伺服器上运行的八个DIMM。相较于其现有的128GB卡在225W时提供380万次运算/秒，这些DIMM则能在170W时达到每秒320万次运算。

最终，三星的目标是将DIMM提高到768GBytes，最终在于使HBM资料速率从目前的307GB/s提高到512GB/s。他并补充说，GDDR6绘图记忆体将从目前的18Gbits/s提高到22Gbits/s，而LPDDR记忆体功耗则将从24mW/GB降至12mW/GB，但他并透露何时实现。

此外，三星宣佈计划采用嵌入式Xilinx Zynq FPGA的智慧SSD，将性能提升2.8倍至3.3倍。这些装置适用于各种资料库、AI、视讯和储存等应用。

该公司表示，该SSD将提供一种更易于扩展性能的方法，而不必再采用标准FPGA搭配独立加速器的作法。目前仍在原型阶段的这些SSD产品将采用各种密度和中阶FPGA。

三星所谓的智慧SSD目前都还只是原型，并未透露任何规格或何时推出

编译：Susan Hong

(参考原文：Samsung Ramps 7nm EUV Chips，by Rick Merritt)