전례없는 치열한 5nm 대결

 

최신 뉴스에 따르면 7nm 공정 노드 기술을 사용 하는 Intel의 Meteor Lake 컴퓨팅 칩이 2021년2분기에 테이프를 시작할 것으로 예상됩니다 . 실제 양산을 위해서는 2022년까지 기다려야 한다는 것을 보여 주고 있습니다.

 

기술 지표의 관점에서 보면 인텔의 7nm는 TSMC와 삼성의 5nm에 해당하는 것으로 ASML이 직접 설명했습니다.

 

인텔이 파운드리 시장에 대규모 진출을 발표 한시기는 7nm 공정이 양산을 앞두고있는시기입니다. 그리고 회사가 프로세스 노드 명명 규칙을 실제로 수정한다면 기사의 초점은 현재의 7nm 프로세스에 있어야 합니다. 그때 7nm가 5nm 또는 이와 유사한 표현으로 변경되면 완료시기가 될 것입니다. 공정 개발이 ​​순조롭게 진행되면 해당 기간 내에 완료 될 것입니다. 이때 (2022년) TSMC와 삼성이 지배하는 5nm 파운드리 제조 산업은 세 번째 경쟁자인 인텔을 보유 할 가능성이 높습니다.

 

전체 산업 체인에서 5nm에 집중

 

 

현재 5nm 파운드리 시장은 여전히 ​​TSMC가 지배하고 있으며 삼성은 여전히  따라 잡고 있으며 인텔도 이 시장을 주시하고 있습니다. 향후 몇 년 동안 글로벌 첨단 공정 (10nm이하) 시장 용량은 표면적으로 부족할 것입니다. 인텔은 5nm로 시작하여 글로벌 파운드리 시장의 첨단 공정 분야에서 TSMC와 삼성에 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 

 

 

생산 능력은 부족하고 시장 수요는 계속해서 증가하고 있습니다. 이러한 시장은 인텔과 같은 IDM 리더가 시장에 진입하도록 유도 할 뿐만 아니라 산업 체인의 모든 링크에 있는 제조업체는 이 거대한 시장의 점유율을 확보하기 위해 노력했습니다.

 

 

반도체 장비 측면에서는 이번 주에 China Micro and Micro Company의 Yin Zhiyao 회장이 자사가 개발 한 12인치 웨이퍼 플라즈마 에칭 장비가 고객의 5nm 공정 생산 라인에 진입했다고 말했다.

 

 

플라즈마 식각 기는 미세공정 칩 제조의 핵심 장비로 칩을 조각 할때 사용됩니다. 각 라인과 깊은 구멍의 가공 정확도는 머리 카락 크기의 1000 분의 1 ~ 1 만분의 1입니다. 기계 정밀도 제어 요구 사항이 매우 높은 공정입니다.

 

 

EUV 노광기의 경우 세계에서 단 하나의 회사인 ASML만이 EUV 노광기의 원천 기술을 보유하고 있습니다. 이것은 또한 5nm 공정에 필요한 장비입니다. 그러나 EUV 노광기의 비용은 매우 비싼니다. 가격은 최대 1억 2천만 달러이며 DUV 리소그래피 기계 가격의 거의 두 배입니다.

 

 

ASML이 발표 한 재무 보고서에 따르면 2019년 총 26대의 EUV 리소그래피 기계가 출하되었고 2020년에는 30대 이상의 EUV 리소그래피 기계가 출하되었으며 2021년에는 45-50 수준에 출하가 이루어질 것으로 예상됩니다. 이 중 상당 부분은 5nm 및 7nm 생산 능력 확장을 위해 TSMC에 공급되었습니다.

 

 

5nm 공정 용량의 현재 리더인 TSMC는 많은 팹리스 고객이 찾고 있습니다. 최근에는 또 다른 5nm 칩 배치가 올해 양산 될 예정이며, 일부는 2022년과 2023년에 양산 될 것으로 예상된다. 이때 배틀 그룹에 합류 한 인텔은 2개 파운드리 회사인 TSMC와 삼성이 차지 할 것으로 예상되며 삼성은 일부 수주를 놓고 경쟁했습니다.

 

 

TSMC의 5nm 공정의 가장 큰 고객은 여전히 애플이며, 보도에 따르면 TSMC는 올해 5월부터 애플 아이폰용 A15 프로세서를 생산하기 시작하며 올해 9월에 공개 될 아이폰 13이 탑재 될 예정이다.

 

 

애플의 A15 칩은 5nm 기술로 계속 제작 될 것으로 알려졌으며 전반적인 성능은 이전 세대 A14와 크게 다르지 않을 수 있지만 TSMC의 공정 기술 개선으로 전력 소비 및 발열이 향상 될 것입니다.

 

 

화웨이의 자회사 하이실리콘은 원래 TSMC 5 나노 공정의 두 번째로 큰 고객 이었지만 미국의 제재로 인해 하이 실리콘은 TSMC의 파운드리로부터 지원을 받을 수 없었습니다. 비워진 생산 능력도 많은 칩 제조업체에서 추구하고 있습니다. 그중 AMD는 애플의 뒤를 이어 TSMC의 5nm 공정에서 두 번째로 큰 고객이 될 것으로 예상됩니다.

 

즉, 이번 주에는 5nm 공정을 사용하는 AMD Zen4 아키텍처 프로세서가 다시 공개되었습니다.

 

 

Zen3 Vermeer 이후 Ryzen CPU 제품군은 Zen3 + Warhol 및 Zen4 Raphael을 계획했습니다. Zen3 + 변경 사항에는 6nm 프로세스, AMD4 인터페이스의 지속 및 PCIe 4.0 및 DDR4 메모리 지원이 포함됩니다 .Zen4는 5nm 프로세스, PCIe 5.0 지원, DDR5 메모리, 새로운 AM5 인터페이스 등을 포함하여 훨씬 더 변경됩니다. 또한 새로운 소식이 있습니다. Zen4 Raphael은 또한 처음으로 Navi2 GPU 장치를 통합합니다.

 

 

 

Zen4 Raphael이 GPU를 통합 할 수 있는 이유는 인터페이스 변경, 5nm 공정 트랜지스터 밀도 증가, I / O 다이를 6nm로 업그레이드 등으로 인해 GPU를 위한 공간을 남겨두기 때문이라는 추측이 있습니다.

 

 

Zen4 Raphael은 5nm 공정을 사용하는 업계 최초의 x86 프로세서가 될 것입니다. Zen 4 아키텍처가 적용된 EPYC Xiaolong 프로세서는 2021년 또는 2022년 초에 출시 될 예정입니다. Zen 4는 "Genoa"라는 코드 명 데이터 센터 프로세서가 새로운 SP5 인터페이스를 사용하고 새로운 인터페이스가 프로세서 I / O를 크게 변경하고 새로운 DDR5 메모리 표준 및 PCIe 5.0 표준을 지원하기 때문에 AMD에게 매우 중요합니다.

 

2020년 3월 AMD는 Radeon RX 5700 XT RDNA를 포함 할 뿐만 아니라 RDNA 2 및 RDNA 3에 대해서도 자세히 설명하는 GPU 개발 로드맵을 상세히 발표했습니다.

 

그중 RDNA 3는 기능 측면에서 비교적 적은 정보를 얻을 수 있지만 전반적인 목표에서 AMD는 여전히 와트 당 전력 성능을 지속적으로 개선하기를 희망합니다. 전력 소비는 여전히 GPU의 전반적인 성능의 병목 현상입니다. 고급 공정 기술은 전력 효율성을 향상 시키는데 도움이됩니다.

 

 

그리고 곧 출시 될 RDNA 2가 더 이상 TSMC의 EUV 7nm + 공정으로 제한되지 않을 수 있다는 점을 감안할 때 RDNA3는 TSMC의 5nm 공정 기술을 사용하여 양산 될 예정 입니다..

 

 

또한 최근 삼성의 5nm 공정도 주문을 받았으며 3월 말 Qualcomm은 삼성의 5nm 공정 (코드 명 SM7350-AB)을 사용하는 Snapdragon 780G 5G라는 다음 Snapdragon 7시리즈 프로세서를 발표했습니다. Snapdragon 780G SoC는 8코어 아키텍처를 기반으로하며 Snapdragon 768G의 후속 제품입니다. 중급 5G 스마트폰을 대상으로합니다.

 

또 다른 주요 휴대폰 프로세서 제조업체인 MediaTek은 뒤쳐지지 않을 것입니다 .2020년 Dimensity 프로세서의 강력한 성능으로 회사는 아름다운 턴어라운드에 맞서 중국 최대 휴대폰 프로세서 공급 업체가되었습니다.

 

 

얼마 전 MediaTek은 2021년 첫해에 Dimensity 1200/1100 시리즈 5G 칩을 출시했지만 이 시리즈는 이전 세대 제품에 대한 약간의 업그레이드 일 뿐이며 실제 플래그십 스마트폰 칩으로는 사용 되지 못하고 있습니다.

 

 

최근 보도에 따르면 미디어텍의 첫 5 나노 공정 칩은 올해 4분기에 정식으로 양산되고 내년 초 정식 출시 될 예정이며 특히 하이엔드 시장을 겨냥한 주력 제품이다.

 

 

앞서 뉴스에 따르면 MediaTek의 5nm 칩은 Dimensity 2000으로 명명됩니다. 이미 여러 국내 휴대폰 제조업체로부터 주문을 받았으며 이 칩이 장착 된 제품은 내년 상반기에 출시 될 예정입니다.

 

 

MediaTek CEO인 Cai Lixing은 자사의 5nm 플래그십 칩이 TSMC에 의해 구축 될 것이며 현재 테이프 아웃에 가까워 질 것이라고 공개적으로 밝혔습니다. MediaTek은 Dimensity 2000 시리즈 플래그십 프로세서를 구축하기 위해 TSMC에서 매월 최소 20,000개 이상의 5nm 공정 용량을 예약했다고 보고되었습니다.

 

 

구글이 자체 개발 한 휴대폰 칩은 비밀이 아니다. 이번 주에는 올해 출시 될 것으로 예상되는 픽셀6 휴대폰에 구글 자체 개발 프로세서의 첫 번째 배치가 탑재 될 것이라고 보도되었으며, 개발 코드는 화이트 채플이다.

 

사실 구글은 이르면 작년 초 자체 개발 한 칩 소식을 공개했다. 당시 자체 개발 한 칩은 휴대폰에 이식 돼 장기 테스트를 시작했다. 삼성 엑시노스팀. 그러나 일부 금융 매체는 삼성의 5nm LPE 프로세스, 8코어 ARM 아키텍처를 사용하여 화이트 채플이 지난해 12월 세상에 공개 됐다는 소식을 전했습니다. 주요 유닛에는 CPU, GPU, NPU가 포함됩니다.

 

 

이상은 5nm 공정 웨이퍼 파운드리, 반도체 장비, 다수의 칩 고객사입니다. 해당 칩 제품의 양산을 실현하기 위해서는 위의 요인 외에 해당 반도체 소재, 액세서리, 각종 서비스도 불가능합니다. . 필수적, 산업 체인에 파트너의 참여가 필요합니다.

 

 

5nm 이상의 고급 공정 개발은 핵심 공정의 혁신과 EUV 장비에만 의존 할 수 없습니다. 재료 관점에서 볼 때 포토 레지스트와 같은 반도체 재료의 혁신도 공정 진화의 핵심입니다.

 

 

2019년 한일 반도체 전쟁이 발발했다. 반도체 및 부품 및 장비 제조에 사용되는 한국의 3대 반도체 재료인 포토 레지스트, 고순도 불화 수소, 불소 함유 폴리이 미드가 모두 일본정부에 수출 대상이었다. 이는 한국의 일부 중요한 산업 발전에 상당한 영향을 미쳤습니다.

 

포토 레지스트는이 세 가지 유형의 반도체 재료 중에서 가장 중요합니다.

 

 

칩 제조 공정에서 노광, 현상, 에칭과 같은 중요한 공정 단계는 모두 포토 레지스트와 관련되어 총 공정 시간의 40 ~ 60%가 소요되며 비용도 전체 칩 제조 비용의 35%를 차지하고 있습니다. 

 

 

유기 포토 레지스트는 주로 90 ~ 7nm 칩 제조에 사용되지만 공정이 5nm로 진행되면서 무기 포토 레지스트가 필요하게 될 것입니다.

 

 

현재 고급 포토 레지스트 제품은 주로 일본 제조업체가 판매하고 있으며 TSMC는 일본 파트너와 긴밀한 관계를 유지하고 있습니다.

 

 

중국 본토의 반도체 재료 제조업체에게는 더 많은 기회가 있습니다. 예를 들어 Anji Microelectronics와 Jiangfeng Electronics는 모두 TSMC의 공급 업체입니다.

 

 

2016년부터 2018년까지 Andiz Microelectronics의 TSMC 매출은 10.7%, 9.7%, 8.1%를 차지했지만 Andiz Microelectronics는 TSMC의 성숙한 공정을 위해 연마 액과 같은 제품을 주로 제공했습니다. Jiangfeng Electronics의 중요한 고객은 TSMC를 포함하며, 탄탈륨 타겟과 링은 TSMC의 7nm 칩에 사용되었습니다. 그러나 5nm 공정 공급망에 진입하기 위해 본토 반도체 재료 제조업체는 여전히 더 열심히 일해야 합니다.

 

마스크 측면에서 지아뎅은 TSMC의 마스크 전사 박스의 독점 공급 업체입니다. TSMC의 7nm 및 5nm 양산에 EUV를 도입함에 따라 EUV 마스크 전사 박스는 공급량이 두 배가 될 것으로 예상됩니다. EUV 도입 후 마스크 노출 횟수 촬영할 수 있는 크기는 원본의 1/4이므로 마스크 전송 상자에 대한 수요가 더욱 증가합니다.

 

Jiadeng 외에도 TSMC의 관련 장비 및 주변 재료 공급 업체에는 Hantang 및 Fanxuan 계약 클린 룸 엔지니어링 플랜트, Hongkang, Ying 재료 예비 부품 파운드리 Jingding 및 웨이퍼 신뢰성 분석을 계약 한 Hou가 포함됩니다. 섹션 습식 공정 장비 Hongsu , 관련 자동화 및 인터페이스 장비, Xunde, Xinhongke 등

 

 

장비 유지 관리에서 AI는 예측 유지 관리에 사용될 수 있습니다. 동시에 TSMC는 자동화 된 이미지 인식과 적시에 정확한 결함 조회를 위해 딥 러닝 방법을 사용하며, 이와 관련하여 Xunde은 7nm 및 5nm 생산 라인 자동화 시스템에 대한 주문을 받았습니다.

 

테스트를 위해 오류가 있는 웨이퍼는 직접 스크랩 하는 동시에 소규모 배치 처리 원칙에 따라 위험 평가 보고서를 고객에게 제공합니다. 신뢰성 테스트의 경우 다이실패가 발생하면 인접한 4개의 다이도 실패하고 수율이 낮 으면 에지다이가 실패합니다. TSMC는 오류가 발생하지 않도록 샘플링 방법을 게속해서 연구 및 개선하고 있습니다.

 

 

요약 

5nm 공정의 생산 능력은 상승 단계에 있으며 산업 체인의 모든 링크가 파운드리와 적극적으로 협력하고 있으며 향후 성장의 여지가 많습니다.

 

 

이 경우 인텔이 향후 2년 동안 프로세스 노드의 명명 규칙을 실제로 변경하면 5nm 노드에서 TSMC와 삼성에 약간의 경쟁 압력이 가해질 것입니다.

 

더 큰 시장 점유율을 확보하는 것은 어렵지만 인텔의 규모와 강력한 재정 자원은 5nm 공정 산업 체인의 모든 링크에서 제조업체에게 더 많은 수익 기회와 공간을 제공 할 것입니다.

이 관점에서 볼 때 여전히 기대할 가치가 있습니다.

 

그리고 삼성은 엔비디아의 차세대 주력 그래픽카드를 5nm2세대 공정에서 양산 할 것 이라고 업계 뉴스에서 발표 했습니다.