臺積電2nm制程工藝取得新進(jìn)展 2nm競爭賽道進(jìn)入預熱模式

據國外媒體報道，推進(jìn)3nm制程工藝今年下半年量產(chǎn)的臺積電，在更先進(jìn)的2nm制程工藝的研發(fā)方面已取得重大進(jìn)展，預計在明年年中就將開(kāi)始風(fēng)險試產(chǎn) —— 也就意味著(zhù)臺積電2nm制程工藝距量產(chǎn)又更近了一步。

業(yè)界估計，臺積電2nm試產(chǎn)時(shí)間點(diǎn)最快在2024年，并于2025年量產(chǎn)，之后再進(jìn)入1nm以及后續更新世代的“埃米”制程。

臺積電去年底正式提出中科擴建廠(chǎng)計劃，設廠(chǎng)面積近95公頃，總投資金額達8000億至10000億元新臺幣，初期可創(chuàng )造4500個(gè)工作機會(huì )。以投資規模及近百公頃設廠(chǎng)土地面積研判，除了規劃2nm廠(chǎng)，后續的1nm廠(chǎng)也可能落腳此處。

據臺灣《經(jīng)濟日報》報道，臺積電2nm建廠(chǎng)計劃相關(guān)環(huán)保評審文件已提交送審，力爭明年上半年通過(guò)環(huán)評，隨即交地建廠(chǎng)，第一期廠(chǎng)預計2024年底前投產(chǎn)。

由于高性能計算（HPC）相當仰賴(lài)先進(jìn)制程，而臺積電在先進(jìn)制程所掌握著(zhù)絕對優(yōu)勢，是臺積電之所以能夠在半導體產(chǎn)業(yè)屹立不搖、獨當一面的重要原因之一。但是先跑并不意味著(zhù)先贏(yíng)，關(guān)鍵還是在客戶(hù)最終決定采用誰(shuí)的制程來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品。

目前臺積電在5nm制程的地位已經(jīng)相當穩固，而有能力部署2nm先進(jìn)制程的半導體公司，不外乎就是臺積電、三星與英特爾三家公司。依照過(guò)去的發(fā)展，臺積電最終會(huì )在良率及效能上技壓群雄，進(jìn)入2nm后的時(shí)代，歷史是否會(huì )完美復刻？

2nm競爭賽道進(jìn)入預熱模式

三星作為臺積電最強有力的對手，近幾年的發(fā)展速度飛快，并且多次公開(kāi)表示要在芯片加工領(lǐng)域與臺積電展開(kāi)競爭，計劃在2030年超越臺積電，成為全球最大的系統級芯片制造商。按照三星和臺積電的差距來(lái)看，三星實(shí)現反超還有很長(cháng)的路要走，原因在于：

· 臺積電在晶圓代工領(lǐng)域積累了豐富的客戶(hù)資源，包括蘋(píng)果、華為、高通、英偉達等。對于追求先進(jìn)制程迭代速率較快的企業(yè)而言，先進(jìn)工藝技術(shù)的搶先且穩定，產(chǎn)品更早發(fā)售的市場(chǎng)優(yōu)勢非常關(guān)鍵。

· 產(chǎn)能方面，現在臺積電的晶圓代工產(chǎn)能領(lǐng)先三星于三倍之多，在產(chǎn)能使用和保障上，臺積電目前更有優(yōu)勢。

· 不能忽視的是臺積電屬于純晶圓代工廠(chǎng)，而三星是一個(gè)IDM企業(yè)，自身生產(chǎn)的產(chǎn)品和一些純IC設計廠(chǎng)商的產(chǎn)品具有競爭關(guān)系，客戶(hù)也會(huì )在挑選代工廠(chǎng)商上有所考慮。

· 另外，以往的經(jīng)驗來(lái)看，三星在晶體管參數、芯片功耗、發(fā)熱問(wèn)題、良品率上都比臺積電略遜一籌。特別是采用三星制程的芯片始終擺脫不了嚴重過(guò)熱問(wèn)題，性能也低于臺積電所代工的芯片，使得三星很難擴大市場(chǎng)占有率。

半導體已成為戰略物資，讓外界更加關(guān)心全球先進(jìn)制程競賽的戰局變化。在7nm和5nm制程工藝的量產(chǎn)時(shí)間上基本能跟上臺積電節奏的三星電子，在更先進(jìn)的3nm制程工藝上有望先于臺積電量產(chǎn)，有報道稱(chēng)他們正推進(jìn)在二季度量產(chǎn)。

三星電子方面已經(jīng)宣布，他們早期3nm級柵極全能（3GAE）工藝將在二季度量產(chǎn)。三星電子宣布的這一消息，也就意味著(zhù)業(yè)界首個(gè)3nm制程工藝即將量產(chǎn)，將是首個(gè)采用全環(huán)繞柵極晶體管（GAA）的制程工藝。

從理論上講，與目前使用的鰭式場(chǎng)效應晶體管（FinFET）相比，GAAFET有許多優(yōu)勢。在GAA晶體管中，通道是水平的，被柵極所包圍；GAA通道是利用外延和選擇性材料去除形成的，這使得設計者可以通過(guò)調整晶體管通道的寬度來(lái)精確地調整它們。通過(guò)更寬的通道獲得高性能，通過(guò)更窄的通道獲得低功率。這樣的精度大大降低了晶體管的漏電電流以及晶體管的性能變化，這意味著(zhù)更快的投產(chǎn)時(shí)間、上市時(shí)間和提高產(chǎn)量。

無(wú)論三星、臺積電誰(shuí)將跑贏(yíng)3nm之爭，先進(jìn)制程的王者之戰，勢必會(huì )延伸至2nm技術(shù)。外界有所擔心的是，三星的3nm制程就采用GAA技術(shù)，2nm技術(shù)則依此延伸；但是，臺積電的3nm依舊使用原有的FinFET架構，直到2nm才采用GAAFET工藝，是否會(huì )因此處于下風(fēng)。

目前來(lái)看臺積電已經(jīng)試產(chǎn)了3nm芯片，預計今年將會(huì )量產(chǎn)。但是從研發(fā)到生產(chǎn)上，臺積電從3nm制程到2nm制程，即從FinFET轉到GAAFET還需要有一定的適應調節能力時(shí)間。

平面晶體管、FinFET以及GAA FET示意圖

3nm將是一個(gè)長(cháng)節點(diǎn)，在該節點(diǎn)上將有大量需求，那些對計算能效有更高要求的客戶(hù)可以率先轉向2nm，預計3nm和2nm將重疊并存相當長(cháng)的一段時(shí)間。

作為唯一能跟上臺積電腳步的芯片制造巨頭，三星又有新動(dòng)作。這段時(shí)間三星副會(huì )長(cháng)李在镕正在歐洲進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，期間可能將到訪(fǎng)ASML交涉采購EUV光刻機的事項。

除此之外，在此之前就有不少關(guān)于三星收購恩智浦的傳聞，現在隨著(zhù)李在镕在歐洲的到訪(fǎng)工作展開(kāi)，又傳出要收購的消息。不過(guò)三星收購恩智浦的消息還處在傳聞階段，并沒(méi)有展開(kāi)實(shí)質(zhì)性動(dòng)作。而且就算三星決意要收購恩智浦也沒(méi)有那么容易，還需要獲得各國監管的批準。

在先進(jìn)制程之戰中，還有兩位選手值得關(guān)注，那就是英特爾和IBM。

· 英特爾公布了最新的技術(shù)路線(xiàn)，首先把重要工藝命名進(jìn)行了修改10nm技術(shù)改名Intel 7、7nm技術(shù)改為Intel 4、5nm技術(shù)改成Intel 3、2nm技術(shù)改成Intel 20A。Intel 20A工藝也是開(kāi)始由FinFET工藝轉向了GAA晶體管，其中將會(huì )采用RibbonFET和PowerVia技術(shù)。

· IBM在2021年5月發(fā)布的全球首個(gè)2nm制造工藝，并在紐約州奧爾巴尼的工廠(chǎng)展示了2nm工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。據預計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個(gè)晶體管。相比之下，臺積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個(gè)晶體管，三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個(gè)晶體管。但是此款2nm芯片，并未實(shí)現真正產(chǎn)業(yè)化，這種實(shí)驗室工藝與量產(chǎn)工藝差距很大。

2nm制程所面對的挑戰

想要研發(fā)出2nm芯片，所需要的環(huán)節非常繁多且缺一不可，其中晶體管架構方式的轉變和優(yōu)化就是技術(shù)的象征，新型材料的選擇與應用一樣會(huì )起到至關(guān)重要的作用。半導體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術(shù)的演進(jìn)都會(huì )是芯片持續提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。

目前，2nm制程技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)在于晶體管架構將由FinFET正式進(jìn)入GAAFET世代。相較于FinFET，GAAFET架構為四面環(huán)繞式包覆，更能有效提高效能同時(shí)控制漏電 (降低功耗)。GAAFET工藝采用的是納米線(xiàn)溝道設計，溝道整個(gè)外輪廓都被柵極完美包裹，對溝道的控制能力會(huì )更好，并且擁有更好的靜電特性，尺寸能夠進(jìn)一步微縮。

還需要考慮的是，現有的光刻機是否已經(jīng)滿(mǎn)足2nm的開(kāi)發(fā)需求？當前的光刻機支持2nm工藝的研發(fā)是完全沒(méi)有問(wèn)題，5nm量產(chǎn)工藝的光刻機使用多層曝光工藝就可以實(shí)現。但是考慮到成本，2nm量產(chǎn)需要的光刻機目前ASML還在開(kāi)發(fā)中。

據公開(kāi)信息，荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA（高數值孔徑）EUV光刻機，可滿(mǎn)足2nm的研發(fā)和生產(chǎn)需求。首臺High NA EUV光刻機將于2023年開(kāi)放早期測試，并從2025年開(kāi)始量產(chǎn)。但具體來(lái)看，滿(mǎn)足2nm制程生產(chǎn)需求的光刻機還需要突破光學(xué)分辨率的問(wèn)題。同時(shí)，為適應2nm的開(kāi)發(fā)需求，光刻膠也需要進(jìn)行進(jìn)一步的革新以滿(mǎn)足光刻機更高分辨率的需求。

先進(jìn)工藝肯定會(huì )遭遇物理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風(fēng)險，后摩爾時(shí)代的重點(diǎn)將不會(huì )聚焦在無(wú)限制提升工藝制程上面，而是通過(guò)先進(jìn)封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構，甚至提升軟件層面的算法，來(lái)提升芯片的運算效率，在這些領(lǐng)域，可供提升的空間還很大。

后摩爾時(shí)代中，先進(jìn)工藝的發(fā)展歷程是否還會(huì )穩步發(fā)展下去？眾所周知，先進(jìn)工藝代工價(jià)格非常昂貴，民用芯片一是考慮性能，二就是價(jià)格。一個(gè)不可否認的事實(shí)是，現有的成熟工藝幾乎已經(jīng)完全可以滿(mǎn)足民用類(lèi)芯片的所有需求。除非在新的通信技術(shù)加持下推出需要超大算力、存儲容量的爆款應用產(chǎn)品，否則很難讓普通消費者為手機支付較大開(kāi)支，來(lái)進(jìn)一步大幅提升性能。

美國喬治敦大學(xué)沃爾什外交學(xué)院安全與新興技術(shù)中心（CSET）發(fā)布的信息顯示，臺積電一片采用3nm制程的12英寸晶圓，代工制造費用約為3萬(wàn)美元，大約是5nm的1.75倍。在裸片（die）面積不變（即升級架構，不增加晶體管數量）、良率不變的情況下，未來(lái)蘋(píng)果A17處理器如果采用3nm制程，成本將上漲到154美元/顆，成為iPhone第一成本部件，而5nm的A15處理器只是iPhone的第三大成本零部件。