Der Wettstreit zwischen TSMC und Samsung um die 3nm-Technologie zeigt erneut den Siegesschlüssel für Prozessinnovationen.

Wenn man die Jahresabschlüsse der weltweit größten Halbleiter-Wafer-Fabriken für das zweite Quartal 2025 betrachtet, hebt sich TSMC deutlich hervor: Der Umsatz stieg im Vergleich zum Vorjahr um mehr als 40 %, weit vor dem Branchen-Durchschnitt, und die Marktquote erweiterte sich weiter auf 70 %.

Wenn man die Vergangenheit betrachtet, hat TSMC bei allen wichtigen technologischen Abzweigungen der fortschrittlichen Logikprozesse in jüngster Zeit die richtigen Entscheidungen getroffen, ohne offensichtliche Fehler zu machen.

Um 2018 begann die risikobehaftete Produktion am 7-nm-Knotenpunkt. Intel entschied sich für DUV-Lithographiegeräte und hatte aufgrund von Ausbeute-Problemen Schwierigkeiten mit der Massenproduktion. TSMC wechselte dagegen zu EUV-Lithographiegeräten, was kostengünstiger und mit höherer Ausbeute war. Intel brauchte drei Jahre, um die Ausbeute-Probleme zu lösen, verpasste jedoch das Marktfenster. TSMC übertraf Intel auf einen Schlag und errang die Führungsrolle in fortschrittlichen Prozessen.

Um 2022 begann die risikobehaftete Produktion am 3-nm-Knotenpunkt. Samsung wechselte zu den fortschrittlicheren GAA-Transistoren, erreichte aber nicht die erwarteten Leistungen und hatte aufgrund von Ausbeute-Problemen Schwierigkeiten mit der Massenproduktion. TSMC entschied sich dagegen, die FinFET-Architektur beizubehalten und verbesserte die Leistung und Dichte durch Material- und Prozessinnovationen, um die Massenproduktion zu starten. Obwohl Samsung im zweiten Quartal 2022 die Massenproduktion seiner GAA-Prozesse ankündigte, wurde im ersten Quartal 2024 bekannt, dass die Ausbeute unter 20 % lag, und das Unternehmen kämpft bis heute mit der Verbesserung der Ausbeute. Dank des 3-nm-Prozesses errang TSMC 2024 einen Umsatz von 16,2 Milliarden US-Dollar (sein 3-nm-Prozess machte 18 % des gesamten Jahresumsatzes aus), und im ersten Quartal 2025 stieg dieser Anteil auf 22 %. Samsung hingegen hat bis heute keine großen Kunden gewonnen, und seine Marktquote ist nahezu Null. In diesem Kampf war die FinFET-Architektur von TSMC ein großer Erfolg, während die GAA-Architektur von Samsung in Schwierigkeiten geriet. Laut Schätzungen haben TSMC und Samsung jeweils mehr als 1 Milliarde US-Dollar in die Forschung und Entwicklung am 3-nm-Prozessknotenpunkt investiert.

Bei diesem Wettlauf um Geschäftsmöglichkeiten im Milliarden-Dollar-Bereich neigte die Waage bereits 2018 zugunsten von TSMC. Im Mai 2018 kündigte Samsung an, bei den 3-nm-Knotenpunkten GAA-Transistoren einzusetzen. Damals war der 7-nm-Prozess noch nicht in Massenproduktion, und die Technologien für den 3-nm-Prozess befanden sich noch in der frühen Vor-Forschungsphase. Die Forschung von IBM und anderen Wafer-Fabriken an GAA-Transistoren hatte 2017 gerade einen großen Durchbruch erzielt und zeigte ein sehr hohes Potenzial für Leistungssteigerungen. Auch die Schlüsseltechnologien zur weiteren Verbesserung der FinFET-Leistung befanden sich noch in der akademischen Diskussion. TSMC, Samsung und Intel trifften die Entscheidungen über die Technologieauswahl für den 3-nm-Prozess fünf Jahre im Voraus, ohne ausreichende Daten, und machten damit Entscheidungen im Wert von Hunderten von Millionen US-Dollar.

 01 Warum schafft es TSMC jedes Mal, den richtigen Weg an den technologischen Weggabelungen zu wählen?

Die Prozess-Forschungseinheit von TSMC hat ein Digitales Zwillingssystem aufgebaut, das in einer Simulationsumgebung eine riesige Anzahl von Material- und Prozesskombinationen untersucht und die Leistungsgewinne und Ausbeute-Risiken einzeln bewertet. Mit der Unterstützung dieses quantitativen Bewertungssystems kann TSMC "ohne Kampf bereits den Sieg planen", vermeidet riskante Wetten und gewinnt in der technologischen und kommerziellen Konkurrenz nacheinander.

Der Kern dieses Digitalen Zwillings ist die EDA-Software, ein spezieller Zweig - die TCAD-Simulationssoftware. TCAD (Technology Computer Aided Design) ist die Kurzform für Halbleiterprozess- und Bauelementsimulationssoftware, ein Forschungswerkzeug, das den Prozess und die Physik von Halbleiterbauelementen umfassend beschreibt. Es fasst die Schritte in der Halbleiterherstellung wie Dünnschichtabscheidung, Ätzen, Lithographie, Ionenimplantation, Diffusion, Oxidation, chemische Planarisierung und die höheren physikalischen Effekte wie Quanteneinschränkung und Ballistischer Transport hinter den physikalischen Eigenschaften von Transistoren in partiellen Differentialgleichungen zusammen und löst sie mit numerischen Methoden. Mit Hilfe von TCAD-Produkten können Wafer-Fabriken teure und zeitaufwändige Experimente durch numerische Simulationen ersetzen, den Prozess-Forschungskreislauf um mehr als 30 % verkürzen und die Kosten für die Chip-Herstellung um mehr als 50 % senken (gemäß Daten der Internationalen Halbleitertechnologieroute ITRS).

Wafer-Fabriken verwenden auch TCAD, um verschiedene Bauelementstrukturen zu optimieren, die Leistung von Schaltungen und elektrische Defekte zu simulieren, um so die Leistung von Bauelementen und Schaltungen zu verbessern. Bei der Forschung und Entwicklung von fortschrittlichen Prozessknoten wie FinFET und GAA trägt TCAD zu mehr als 70 % zur Optimierung der Bauelementstruktur bei. Man kann sagen, dass das Anwendungsniveau von TCAD die Prozess-Advanzierte und die Ausbeute von Wafer-Fabriken bestimmt. Es ist die Kernsoftware für die Forschung und Entwicklung von Bauelementen und Prozessen in Wafer-Fabriken und ein unverzichtbares Werkzeug für die Erstellung von Chip-Prozess-Spezifikationen. Über die Jahre waren die globalen TCAD-Simulationswerkzeuge hauptsächlich von zwei amerikanischen Unternehmen, Synopsys und Silvaco, dominiert.

Synopsys, als Weltmarktführer in der TCAD-Software, konzentriert sich auf die Simulation der fortschrittlichsten Prozessknoten (z. B. 5 nm, 3 nm, 2 nm), komplexer dreidimensionaler Bauelemente wie FinFET und GAA und ist als Goldstandard in der Branche anerkannt. Die TCAD-Software von Silvaco hat deutliche Vorteile bei Leistungshalbleitern (Power Devices) und Verbundhalbleitern (GaN, SiC). Nach 2011 traten zwei junge Unternehmen in diesen Wettlauf ein: das österreichische Unternehmen GlobalTCAD Solutions und das chinesische Unternehmen Suzhou Peifengtunan Semiconductor Co., Ltd. Das erste ist bekannt für die Kommerzialisierung der fortschrittlichen akademischen Ergebnisse der Bauelementsimulation der Technischen Universität Wien (TU Wien), und das zweite ist bekannt für seine Fähigkeit, Synopsys vollständig zu konkurrieren und für sein ausgezeichnetes virtuelles Wafer-Fabrikwerkzeug Emulator.

 02 Der Übergang von "starke Entwicklung, schwache Fertigung" zu "kooperative Entwicklung von Entwicklung und Fertigung"

Ende Mai dieses Jahres erteilte das US-amerikanische Handelsministerium (BIS) plötzlich eine Ausfuhrbeschränkung an die drei EDA-Riesen (Synopsys, Cadence und Siemens), die vorschrieb, dass diese Unternehmen vor dem Verkauf von EDA-Werkzeugen an chinesische Kunden in China eine Genehmigung einholen müssen, und es gab keine Pufferzeit. Diese Verbotsregel hat für eher etablierte Chipunternehmen mit allgemeinen Anwendungen wenig Auswirkungen, hat aber die fortschrittlichen Fertigungsprozesse erneut schwer getroffen. In den letzten Jahren hat die USA durch Maßnahmen wie die "Entity List" verhindert, dass Unternehmen, die amerikanische Technologien verwenden (einschließlich TSMC und Samsung), Chips für bestimmte chinesische Unternehmen (z. B. Huawei) herstellen lassen, und hat durch das Embargo von Geräten und Software die Fortschritte in der chinesischen Chipfertigung stark behindert. In der Vergangenheit hat China in der globalen Welle dank seiner Markt- und Personalmacht erfolgreich eine wichtige Position in der "Entwicklung" im Wertschöpfungskette erworben, hat aber in die "Fertigung", die auf langfristiger technologischer Akkumulation beruht, zu wenig investiert. Nachdem man die Wichtigkeit der Fertigung erkannt hat, hat der Staat in Politik, Finanzierung und Branchenplanung mehr investiert. Beispielsweise konzentriert sich der Nationale Fonds für die Investition in die integrierte Schaltungstechnologie stärker auf die Kooperation in der Wertschöpfungskette, um eine Synergie zwischen "Geräten - Fertigung" zu schaffen, im Gegensatz zum ersten Fonds, der hauptsächlich auf die Kapazitätserweiterung abzielte.

Das Branchenführer Unternehmen Huada Jiutian hat im Bereich der Speicherchips einen Durchbruch erzielt. Im August dieses Jahres kündigte es seine "EDA-Lösung für den gesamten Speicherprozess" an, die die Beschränkungen des traditionellen Entwurfsmusters aufgrund von riesigen Arrays und komplexer Signalverarbeitung überwindet und die strengen Anforderungen an die Speicherdichte, Leistung und Lieferungseffizienz von ultra-großen Flash/DRAM-Speicherchips erfüllt.

Für die chinesische Halbleiterindustrie, die sich bemüht, die "Fertigungs"-Engpässe zu lösen, hat TCAD neben den oben genannten wichtigen Funktionen auch viele besondere Aufgaben:

Umgehung von Teilen der Beschränkungen: Wenn es nicht möglich ist, die fortschrittlichsten EUV-Lithographiegeräte zu erhalten, kann man TCAD nutzen, um den bestehenden Prozess zu optimieren, das technologische Potenzial auszuschöpfen und die Produktleistung zu verbessern.

Beschleunigung der technologischen Akkumulation: Durch Simulationen kann man schnell die physikalischen Prinzipien internationaler fortschrittlicher Technologien lernen und verstehen, die eigene technologische Erkundungszeit verkürzen und eine solide Grundlage für die Eigeninnovation schaffen.

Unterstützung der Kooperation in der Fertigungslinie: TCAD hilft chinesischen Chip-Designunternehmen (Fabless) und Wafer-Fabriken (Foundry) effizienter zusammenzuarbeiten. Designunternehmen können durch die TCAD-Simulationsmodelle, die von den Fabriken bereitgestellt werden, bessere Schaltungen entwerfen und das Risiko eines fehlgeschlagenen MPW (Multi-Project-Wafer) verringern.

Zusammenfassend ist TCAD eine unverzichtbare Brücke zwischen Prozess-Theorie und Fertigungspraxis, Bauelementephysik und Schaltungsentwicklung. Obwohl es nicht die Maschine ist, die direkt Chips auf der Fertigungslinie herstellt, ist es das "Gehirn", das diese Maschinen leitet, wie sie besser arbeiten können, und ein grundlegendes Werkzeug in der modernen Halbleiterfertigung.

Bei der bereits stattgefundenen 3-nm-Konkurrenz hat TCAD sich von einem Hilfswerkzeug zu einem strategischen Entscheidungsmoment entwickelt. In Zukunft, wenn der 2-nm-Prozess CFET (komplementäre Feldeffekttransistoren) einführt, wird TCAD neue Herausforderungen wie die Kopplung von dreidimensionaler heterogener Integration und Quanteneffekten bewältigen müssen, und seine Wichtigkeit wird noch deutlicher hervortreten. Man kann vorhersagen, dass derjenige, der TCAD effizienter nutzt, um Prozesse zu optimieren und die Forschungszeit zu verkürzen, im "Marathon" der fortschrittlichen Fertigungsprozesse den Vorsprung haben wird.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account “Semiconductor Industry Insights” (ID: ICViews), geschrieben vom Redaktionsteam von ICVIEWS und mit Genehmigung von 36Kr veröffentlicht.