TSMC hat wieder einmal die Wette gewonnen.

Bei der Roadmap der fortschrittlichen Fertigungsverfahren von Samsung Foundry vollzieht sich eine bemerkenswerte Veränderung.

Ursprünglich plante Samsung die Massenproduktion des 1,4-nm-Verfahrens im Jahr 2027, mittlerweile wurde dieser Zeitplan auf 2029 verschoben. Mit anderen Worten: Vor dem Übergang zu 1,4 nm wird Samsung die Erweiterung und Optimierung rund um das 2-nm-Verfahren fortsetzen und den Fokus der kommenden Jahre auf die Reife des Verfahrens, die Steigerung der Ausbeute sowie die Einbindung von Kunden legen. Bereits 2022 hatte Samsung den Plan zur Massenproduktion von 1,4 nm im Jahr 2027 bekanntgegeben. Die Verschiebung auf 2029 bedeutet, dass dieses Ziel zwei Jahre später als ursprünglich geplant erreicht wird, und von jetzt bis 2029 muss Samsung noch drei Jahre lang auf der 2-nm-Plattform weiter vertiefte Arbeit leisten.

Bisher war die Strategie von Samsung bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren eher aggressiv, insbesondere hat es als Erster am 3-nm-Knoten die GAA-Transistoren (Gate-All-Around, umgebende Gitterelektrode) eingeführt, um dadurch differenzierte Vorteile aufzubauen und durch schnellere Iterationen der Knoten TSMC einzuholen. Nach dem Eintritt in das 2-nm-Zeitalter steigen jedoch die technischen Schwierigkeiten und Kapitalinvestitionen bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren rasant an, und der Wettbewerb ist nicht mehr einfach nur die Frage „wer als Erster den nächsten Knoten erreicht“.

Für Wafer-Foundry-Unternehmen hängt es letztlich von der Ausbeute, Leistung, Stromaufnahme, Anzahl der Kunden und den Massenproduktionskosten ab, ob ein neuer Prozessknoten wirklich Wert schaffen kann. Daher ist es eine realistischere Wahl für Samsung derzeit, anstatt das 1,4-nm-Verfahren zu früh voranzutreiben, zuerst die 2-nm-Plattform ausgereift zu machen und dann ihre kommerzielle Lebensdauer durch verschiedene abgeleitete Verfahren zu verlängern.

Tatsächlich steht Samsung bei 2 nm nicht „still“. Neben dem Standard-SF2 treibt Samsung auch abgeleitete 2-nm-Verfahren für unterschiedliche Anwendungsszenarien voran und plant, in fortgeschritteneren Versionen Technologien wie die rückwärtige Stromversorgung einzuführen. Bei KI- und HPC-Chips wird mit der stetigen Vergrößerung der Die-Größe und dem Anstieg der Stromaufnahme das Stromversorgungsnetz zu einem wichtigen Faktor, der die Leistung beeinflusst. Daher besteht die eigentliche Aufgabe von Samsung in den kommenden Jahren nicht darin, „wie man so schnell wie möglich 1,4 nm herstellt“, sondern wie man 2 nm zu einer reiferen, zuverlässigeren und in großen Mengen lieferbaren Plattform macht.

Warum hat Samsung es nicht eilig, High-NA-EUV einzuführen?

Bemerkenswert ist, dass Samsung es nicht eilig hat, High-NA-EUV, also die Extrem-Ultraviolett-Lithografie mit hoher numerischer Apertur, als unverzichtbare Technologie für die Massenproduktion von 2 nm und 1,4 nm zu nutzen. Park Chang-min, Vice President of Technology bei Samsung Electronics, erklärte zuvor, dass das Unternehmen hofft, High-NA-EUV künftig in der Massenproduktion von fortschrittlichen Knoten wie 2 nm und 1,4 nm einsetzen zu können, aber diese Technologie muss derzeit noch weiter ausgereift werden. Samsung ist der Ansicht, dass ab A10 und darunter, also ab Knoten im 1-nm-Bereich und noch fortgeschritteneren, High-NA-EUV wirklich zu einer unverzichtbaren Technologie für die Massenproduktion fortschrittlicher Verfahren werden kann. Derzeit arbeitet Samsung gemeinsam mit Partnern aus der Industriekette an der gemeinsamen Entwicklung.

Der größte Vorteil von High-NA-EUV besteht darin, dass die höhere numerische Apertur die Lithografieauflösung weiter verbessern kann, wodurch einige komplexe Mehrfachmusterungsverfahren reduziert und die Herstellung fortgeschrittenerer Transistoren unterstützt werden. Das Problem ist jedoch ebenso offensichtlich: Die High-NA-EUV-Geräte sind sehr teuer, und das Belichtungsfeld ist im Vergleich zu herkömmlicher EUV kleiner geworden, was für KI- und HPC-Chips mit immer größeren Flächen zu mehr Anforderungen an das Zusammensetzen führen kann. Gleichzeitig müssen die begleitenden Glieder wie Fotolacke, Masken, Pellikel und rechnergestützte Lithografie synchron aufgerüstet werden. Daher ist High-NA-EUV für Wafer-Fabriken nicht einfach „je fortschrittlicher die Technologie, desto besser“, sondern eine langfristige Investition, bei der Gerätekosten, Chipfläche, Ausbeute, Produktionskapazität und PPA-Vorteile umfassend berücksichtigt werden müssen.

Dies ist auch einer der wichtigen Gründe, warum Samsung High-NA-EUV derzeit nicht als unverzichtbare Technologie für die Massenproduktion von 1,4 nm ansieht. Für Samsung besteht keine Notwendigkeit, um der höheren Lithografieauflösung willen zu früh die zusätzlichen Kosten und die verfahrenstechnische Komplexität zu tragen, die durch High-NA-EUV entstehen, wenn das 1,4-nm-Verfahren auch durch das ausgereifte Low-NA-EUV-System realisiert werden kann. Im Vergleich dazu ist es eine pragmatischere Wahl, darauf zu warten, dass High-NA-EUV weiter ausgereift wird, und seinen Wert den Knoten im 1-nm-Bereich und darunter zu überlassen.

Fortschrittliche Fertigungsverfahren treten in die „Ära der Kostenrechnung“ ein

Aus dieser Perspektive bedeutet die Verschiebung von 1,4 nm durch Samsung nicht, dass sich der Wettbewerb bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren verlangsamt, sondern zeigt vielmehr, dass diese Branche in eine neue Phase eintritt. In den letzten mehr als zehn Jahren lag der Kern des Wettbewerbs bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren darin, „wer als Erster den nächsten Knoten erreicht“. Von 28 nm, 16/14 nm, 10 nm, 7 nm, 5 nm bis 3 nm war die Knotennummer selbst ein wichtiger Ausdruck der technischen Stärke von Wafer-Fabriken. Bei 2 nm und darunter steigen jedoch die Kosten für die bloße Verfolgung der Verkleinerung der Knoten immer weiter an. Neue Technologien wie GAA, rückwärtige Stromversorgung, EUV und High-NA-EUV erfordern enorme Forschungs- und Entwicklungsinvestitionen sowie Kapitalaufwendungen, während die Steigerung von Leistung und Dichte, die jede Generation von Verfahren bringen kann, nicht unbedingt das bisherige Ausmaß beibehalten kann.

Gleichzeitig besteht die eigentliche Schwierigkeit bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren nicht mehr nur darin, sie „herzustellen“, sondern sie „stabil herzustellen“. Insbesondere die Die-Größe von KI-GPUs und HPC-Chips wird ständig vergrößert: Je größer die Chipfläche, desto höher sind die Anforderungen an die Ausbeute bei der Wafer-Herstellung. Selbst wenn ein Verfahren eine höhere Transistordichte erreichen kann, sind Kunden am Ende nicht unbedingt bereit, es zu übernehmen, wenn die Ausbeute langsam ansteigt und die Wafer-Kosten zu hoch sind. Daher müssen Wafer-Fabriken jetzt nicht nur berechnen, um wie viel die Transistordichte gesteigert und die Leistung verbessert wird, sondern auch, wie viele funktionsfähige Chips pro Wafer hergestellt werden können und ob Kunden bereit sind, für diese Leistungssteigerungen höhere Preise zu zahlen.

Was noch wichtiger ist: Der Wert fortschrittlicher Fertigungsverfahren stammt nicht mehr nur aus der Verkleinerung von Transistoren. Chiplet, 3D-Stapelung, HBM und fortschrittliche Gehäuse werden zu wichtigen Mitteln zur Verbesserung der Leistung von KI-Chips. Die Leistung, die ein KI-Chip letztendlich erreichen kann, hängt bereits von mehreren Gliedern wie Rechen-Die, HBM, Verbindung, Stromversorgung, Wärmeableitung und Gehäuse ab. Daher wird der künftige Wettbewerb bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren im Wesentlichen von einem bloßen „Knoten-Wettbewerb“ zu einem umfassenden Wettbewerb um Technologie, Kosten und Ökosystem übergehen. Die Verlängerung der Lebensdauer des 2-nm-Verfahrens durch Samsung kann als eine Neuausrichtung zwischen technischem Fortschritt und kommerziellem Ertrag betrachtet werden, unter der Voraussetzung, dass in diesen drei Jahren die Ausbeute des 2-nm-Verfahrens und die Anzahl der Kunden wirklich gesteigert werden.

Die Vorsprung von TSMC A16

Das Problem liegt darin, dass TSMC nicht angehalten hat, während Samsung sein Tempo drosselt. TSMC N2 ist bereits in der Massenproduktion, und sein erster nach dem 2-nm-Knoten entwickelter Knoten A16 soll ebenfalls im zweiten Halbjahr 2026 in die Massenproduktion eintreten. Das bedeutet: Während Samsung die 2-nm-Familie weiter vervollständigt, hat TSMC bereits begonnen, sich auf das Niveau von 1,6 nm zuzubewegen.

Eine der größten Veränderungen bei A16 ist die Einführung der SPR (Super Power Rail)-Technologie für die rückwärtige Stromversorgung von TSMC. Bei herkömmlichen Chips konzentrieren sich Stromleitungen und Signalleitungen hauptsächlich auf der Vorderseite der Transistoren. Mit der stetigen Verkleinerung der Verfahrensgrößen werden die Ressourcen für die Vorderseitenverdrahtung immer knapper, und der Wettbewerb um Ressourcen zwischen Stromnetz und Signalnetz wird immer schwerwiegender, was weiter zu Problemen wie Verdrahtungsstaus und IR-Drop führt. Bei der rückwärtigen Stromversorgung wird der Stromversorgungspfad auf die Rückseite des Chips verlegt, wodurch mehr Ressourcen für die Vorderseitenverdrahtung für die Signalübertragung freigesetzt werden, gleichzeitig der Stromversorgungspfad verkürzt und die Impedanz der Stromversorgung verringert wird, wodurch die Effizienz der Stromversorgung bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren verbessert wird.

Die von TSMC veröffentlichten Daten zeigen, dass A16 im Vergleich zu N2P bei gleichem Stromverbrauch die Geschwindigkeit um 8 % bis 10 % steigern, bei gleicher Geschwindigkeit den Stromverbrauch um 15 % bis 20 % senken und die Chipdichte maximal um etwa 10 % verbessern kann. Das bedeutet, dass die Bedeutung von A16 nicht nur darin liegt, den Knoten von 2 nm auf 1,6 nm voranzubringen, sondern durch die rückwärtige Stromversorgung das Leistungspotenzial fortschrittlicher Fertigungsverfahren weiter freizusetzen. Insbesondere bei KI- und HPC-Chips ist mit der stetigen Vergrößerung der Chipgröße und dem anhaltenden Anstieg des Stromverbrauchs die Bedeutung der Stromintegrität und Signalintegrität nicht weniger wichtig als die Transistoren selbst.

Tatsächlich ist die rückwärtige Stromversorgung bereits zu einer wichtigen technologischen Richtung für fortschrittliche Fertigungsverfahren bei 2 nm und darunter geworden. Intel hat PowerVia in 18A eingeführt, TSMC hat das SPR-Schema in A16 übernommen, und Samsung treibt ebenfalls entsprechende Technologien voran. Man kann sehen, dass sich der Wettbewerb bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren von der Transistorstruktur selbst auf die Zusammenarbeit von Stromversorgung, Verbindung, Design und Herstellungsverfahren ausgeweitet hat.

Besonders erwähnenswert ist, dass TSMC bereits zuvor angekündigt hat, bei High-NA-EUV eine vorsichtige Haltung beizubehalten. Aus der aktuellen Verzögerung von Samsung geht hervor, dass TSMC erneut richtig gewettet hat.

Abschließende Anmerkungen

Die 2-nm-Roadmap von Samsung in den kommenden drei Jahren steht tatsächlich unter erheblichem Druck. Einerseits muss es die Ausbeute des 2-nm-Verfahrens und die Geschwindigkeit der Kundeneinbindung weiter steigern; andererseits muss es sich der kontinuierlichen Weiterentwicklung von TSMC A16 und nachfolgenden fortgeschritteneren Knoten stellen. Im Jahr 2029, wenn Samsung 1,4 nm wirklich auf den Markt bringt, sind TSMC und Intel höchstwahrscheinlich bereits in eine neue technologische Phase eingetreten.

Das bedeutet auch, dass der künftige Wettbewerb bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren kaum noch einfach mit Zahlen wie „2 nm, 1,4 nm, 1 nm“ gemessen werden kann. Technologien wie GAA, rückwärtige Stromversorgung, EUV, High-NA-EUV, DTCO und fortschrittliche Gehäuse werden gemeinsam darüber entscheiden, welche Leistung und Kosten ein Chip letztendlich erreichen kann. Der Wettbewerb bei fortschrittlichen Fertigungsverfahren wandelt sich von „wer hat den fortgeschritteneren Knoten“ zu „wer kann fortschrittliche Technologien mit vernünftigeren Kosten wirklich zu großskaligen Produkten machen“.

Samsung gibt das 1,4-nm-Verfahren nicht auf, sondern nutzt die kommenden drei Jahre, um das 2-nm-Verfahren wirklich ausgereift zu machen, in großem Maßstab zu produzieren und Kunden dafür zu gewinnen. Doch damit stellt sich auch die Frage: Wo werden TSMC und Intel stehen, wenn Samsung im Jahr 2029 wirklich zu 1,4 nm übergeht? Das ist vielleicht der bemerkenswerteste Punkt im Wettbewerb um fortschrittliche Fertigungsverfahren.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Halbleiterbranchenbeobachtung“ (ID: icbank), Autor: Redaktion, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.