2nm制程：四強爭霸，誰(shuí)是炮灰？

距離 2nm 制程量產(chǎn)還有一年左右的時(shí)間，當下，對于臺積電、三星和英特爾這三大玩家來(lái)說(shuō)，都進(jìn)入了試產(chǎn)準備期，新一輪先進(jìn)制程市場(chǎng)爭奪戰一觸即發(fā)。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累、發(fā)展和追趕，在工藝成熟度和良率方面，三星、英特爾與臺積電的差距越來(lái)越小了，在 2nm 時(shí)代，臺積電依然占據優(yōu)勢地位的局面可以預見(jiàn)，但與 5nm 和 3nm 時(shí)期相比，市場(chǎng)競爭恐怕會(huì )激烈得多。

三大玩家的 2nm 技術(shù)路線(xiàn)

在發(fā)展 2nm 制程技術(shù)方面，臺積電、三星和英特爾既有相同點(diǎn)，也有不同之處，總體來(lái)看，臺積電相對穩健，英特爾相對激進(jìn)，三星則處于居中位置。

首先看臺積電。

該晶圓代工龍頭的 2nm 制程將包括 N2、N2P 和 N2X 三個(gè)版本，預計 2025 下半年開(kāi)始量產(chǎn)其第一代 GAAFET N2 節點(diǎn)芯片，2nm 的下一個(gè)版本 N2P 將在 2026 年底量產(chǎn)。與英特爾不同，臺積電的這兩個(gè)版本 2nm 工藝沒(méi)有使用背面供電技術(shù)，不過(guò)，整個(gè) N2 系列將增加臺積電新的 NanoFlex 功能，該功能允許芯片設計人員在同一模塊中匹配來(lái)自不同庫（高性能、低功耗、不同面積）的單元，以提高性能或降低功耗。

為了控制成本，臺積電將使用 GAAFET 晶體管架構，而不是傳說(shuō)中的互補式場(chǎng)效應晶體管（CFET）。

臺積電的 3nm 工藝已經(jīng)支持一種稱(chēng)為 FinFlex 的功能，它也允許設計人員使用來(lái)自不同庫的單元，不過(guò)，N2 依賴(lài)于 GAAFET 納米片晶體管，使 NanoFlex 提供了一些額外的控制能力，可以?xún)?yōu)化性能和功率的通道寬度。

與 N3E 相比，臺積電預計 N2 在相同功率下可將性能提高 10%~15%，或在相同頻率和復雜性下將功耗降低 25%~30%。

N2 之后將是性能增強型 N2P，以及 2026 年的電壓增強型 N2X。盡管臺積電曾表示 N2P 將在 2026 年增加背面供電網(wǎng)絡(luò )（BSPDN），但看起來(lái)情況并非如此，N2P 將使用常規供電電路，具體原因尚不清楚。

N2 仍有望采用與電源相關(guān)的創(chuàng )新，也就是超高性能金屬絕緣體金屬（SHPMIM）電容器，這種電容器可以提高電源穩定性，SHPMIM 電容器的容量密度是臺積電現有超高密度金屬絕緣體金屬（SHDMIM）電容器的兩倍多。

下面看三星。

三星也將于 2025 年量產(chǎn) 2nm（SF2）制程芯片，然后于 2026 年采用背面供電技術(shù)。與 3nm 工藝（SF3）相比，三星的 2nm 工藝性能提升 12%，功率效率提升 25%，面積減少 5%。

相對于臺積電而言，三星公布的 2nm 制程工藝技術(shù)細節不多，不知道量產(chǎn)時(shí)是否會(huì )有什么大招放出。

最后看英特爾。

2024 年初，在發(fā)布其「四年內五個(gè)節點(diǎn)」計劃（稱(chēng)為「5N4Y」）時(shí)，英特爾介紹了其 20A（2nm 級）制程技術(shù)，該工藝計劃在 2025 年初投入生產(chǎn)。

據悉，英特爾的 20A 引入了 RibbonFET GAA 晶體管和 PowerVia 背面供電技術(shù)，而之后的升級版本 18A 則將改進(jìn)這兩種技術(shù)。該公司是背面供電技術(shù)的積極倡導者，并在不斷改進(jìn)，因此，預計英特爾也將會(huì )在 2nm 制程技術(shù)領(lǐng)域有較多創(chuàng )新。

英特爾將比臺積電早兩年使用背面供電技術(shù)，此外，在使用 GAA 晶體管架構方面，也比臺積電早一年半的時(shí)間。但是，是否可以將這些新技術(shù)轉化成實(shí)實(shí)在在的量產(chǎn)優(yōu)勢，關(guān)鍵還是要看英特爾能否將 PPA（性能、功耗、面積）優(yōu)化到位。

數字游戲

2024 年 3 月，三星電子通知客戶(hù)和合作伙伴，宣布將新版第二代 3nm 工藝改名為 2nm。三星稱(chēng)，該工藝將在今年年底量產(chǎn)。

一位 IC 設計業(yè)內人士表示：「我們收到了三星電子的通知，他們正在將第二代 3nm 制程更名為 2nm。我們去年與三星電子代工廠(chǎng)簽訂的第二代 3nm 制程合同也將更名為 2nm，因此，我們需要在不久的將來(lái)重寫(xiě)合同?！?/span>

有業(yè)內人士表示，三星第二代 3nm 制程減小了晶體管尺寸，很大程度上是為了滿(mǎn)足營(yíng)銷(xiāo)的需要。

臺積電在 IEEE 國際電子元件會(huì )議（IEDM）上揭露，將繼 2nm 后，推出 1.4nm 制程，且延續將 2nm 正式命名為 A20 的做法，1.4nm 被命名為 A14，預計 2027~2028 年量產(chǎn)。

三星緊追臺積電不放，宣布計劃 2027 年量產(chǎn) 1.4nm 制程。

英特爾對制程的命名則一改多年前的「倔強」，不再固守摩爾定律的絕對規范，而是考慮到更多的商業(yè)化拓展需求，讓制程節點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)更接近市場(chǎng)和客戶(hù)習慣。因此，該公司 CEO 基辛格在主持英特爾創(chuàng )新日臺北場(chǎng)時(shí)重申，Intel 7 已進(jìn)入量產(chǎn)階段，Intel 4 現已量產(chǎn)準備就緒，Intel 3 也會(huì )按計劃于今年底推出。他在現場(chǎng)展示了以 Intel 20A 試產(chǎn)出的晶圓，預計將用于 2025 年推出的 Arrow Lake 處理器，Intel 18A 也將有望在 2025 下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

目前，對于 5nm 及以下的先進(jìn)制程工藝，出現了越來(lái)越多的「數字游戲」，這也是競爭壓力下的產(chǎn)物，由于臺積電的先進(jìn)制程在業(yè)內深入人心，要想提升競爭力，獲得更多市場(chǎng)份額，就不得不順應市場(chǎng)需求和客戶(hù)習慣，才有助于拓展市場(chǎng)空間。

2nm 制程量產(chǎn)的挑戰

2025 年是 2nm 制程量產(chǎn)元年，真正的較量恐怕會(huì )出現在 2026 年。對于臺積電、三星、英特爾，以及日本的 Rapidus 來(lái)說(shuō)，依然需要解決各自的問(wèn)題，才能將量產(chǎn)工作鋪開(kāi)。

臺積電的高成本

International Business Strategies（IBS）的分析師認為，與 3nm 處理器相比，2nm 芯片成本將增長(cháng)約 50%。

IBS 估計，一個(gè)產(chǎn)能約為每月 50000 片晶圓（WSPM）的 2nm 產(chǎn)線(xiàn)的成本約為 280 億美元，而具有類(lèi)似產(chǎn)能的 3nm 產(chǎn)線(xiàn)的成本約為 200 億美元。增加的成本，很大一部分來(lái)自于 EUV 光刻設備數量的增加，這將大大增加每片晶圓和每個(gè)芯片的生產(chǎn)成本，而能夠接受如此高成本芯片的廠(chǎng)商，只有蘋(píng)果、AMD、英偉達和高通等少數幾家。

IBS 估計，2025~2026 年，使用臺積電 N2 工藝加工單個(gè) 12 英寸晶圓將花費蘋(píng)果約 30000 美元，而基于 N3 工藝的晶圓成本約為 20000 美元。

隨著(zhù)對 AI 處理器需求的增加，英偉達在臺積電收入中的份額會(huì )在 2024 年增加，該公司已經(jīng)預訂了臺積電晶圓代工和 CoWoS 封裝產(chǎn)能，以確保其用于 AI 的優(yōu)質(zhì)處理器的穩定供應。今年，AMD 在臺積電總營(yíng)收中的份額有望超過(guò) 10%。

正是有蘋(píng)果、英偉達、AMD 等大客戶(hù)下單，臺積電才會(huì )大規模投資最先進(jìn)制程，否則，像 2nm 這樣燒錢(qián)的制程產(chǎn)線(xiàn)，是很難持續支撐下去的。但是，就目前的情況來(lái)看，臺積電對 2024 全年的晶圓代工市場(chǎng)預判較為保守，認為之前的預估過(guò)于樂(lè )觀(guān)了，之前預估該行業(yè)年增長(cháng) 20% 左右，現在看來(lái)，增長(cháng)率可能只有 10% 左右。在這種情況下，雖然有大客戶(hù)的訂單，也必須控制一下成本和資本支出了。

目前，臺積電正在全方位的控制成本，包括 EUV 設備的支出，電能的節省等。雖然在 2nm 制程成本方面，其它幾家廠(chǎng)商也會(huì )面臨成本問(wèn)題，但為了追趕臺積電，三星和英特爾似乎在成本方面沒(méi)有臺積電那么敏感。另外，由于臺積電要在美國新建至少兩座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)，這給它帶來(lái)了很多額外的成本壓力。因此，臺積電的 2nm 制程產(chǎn)線(xiàn)必須精打細算。

三星的良率問(wèn)題

對于晶圓代工來(lái)說(shuō)，良率非常重要，它直接影響生產(chǎn)成本和客戶(hù)認可度。

自從進(jìn)入 5nm 制程時(shí)代以來(lái)，良率一直是三星晶圓代工業(yè)務(wù)所面對的最大問(wèn)題，特別是在 3nm 制程節點(diǎn)上，三星率先引入了全新的 GAA 架構晶體管，與以往使用的 FinFET 晶體管有較大區別，也使良率問(wèn)題進(jìn)一步放大。

據 Notebookcheck 報道，三星的 3nm 工藝良率在 50% 附近徘徊，依然有一些問(wèn)題需要解決。三星 2023 年曾表示，其 3nm 工藝量產(chǎn)后的良率已達到 60% 以上，不過(guò)，現在看來(lái)，當時(shí)過(guò)于樂(lè )觀(guān)了。

今年 2 月，據韓媒報道，三星新版 3nm 工藝存在重大問(wèn)題，試產(chǎn)芯片均存在缺陷，良率為 0%。報道指出，采用 3nm 工藝的 Exynos 2500 芯片因缺陷未能通過(guò)質(zhì)量測試，導致后續 Galaxy Watch 7 的芯片組也無(wú)法量產(chǎn)。報道指出，由于 Exynos 2500 芯片試產(chǎn)失敗，三星推遲了大規模生產(chǎn)，目前，尚不清楚是否能夠及時(shí)解決良率問(wèn)題。

為了追趕臺積電，三星的 3nm 制程工藝采取了比較激進(jìn)的策略，主要體現在 GAA 晶體管架構上，臺積電的 3nm 依然采用 FinFET。2nm 才會(huì )轉向 GAA 晶體管，激進(jìn)的結果就是要在良率方面付出一些代價(jià)。

如果 3nm 的良率問(wèn)題不能解決，2nm 恐怕會(huì )出現同樣的問(wèn)題。

英特爾的客戶(hù)

對于晶圓代工業(yè)新進(jìn)入者，英特爾面臨的最大問(wèn)題當然是客戶(hù)認可度，特別是像 2nm 這樣先進(jìn)的制程工藝，對于在 10nm 以下晶圓代工市場(chǎng)鮮有量產(chǎn)經(jīng)驗和出貨量的廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，在與臺積電和三星的競爭中，如何搶奪客戶(hù)，特別是有較大出貨量需求的客戶(hù)（2nm 成本很高，若出貨量小，根本不可能盈利），是一大挑戰。

Rapidus 的挑戰

日本 Rapidus 晶圓廠(chǎng)的 2nm 制程工藝源自 IBM。Rapidus 派遣工程師前往 IBM 在紐約的奧爾巴尼納米技術(shù)中心進(jìn)行研發(fā)，并與 IBM 以外的合作伙伴合作開(kāi)發(fā) 2nm 工藝，目標是在 2020 年代后期進(jìn)行大規模生產(chǎn)。

與英特爾類(lèi)似，Rapidus 是晶圓代工業(yè)的新進(jìn)入者，大規模生產(chǎn)工藝研發(fā)是從零開(kāi)始的，客戶(hù)認可度是一大挑戰。

假設已經(jīng)投資 Rapidus 的豐田汽車(chē)、電裝、NTT、IBM 等公司將他們需要的先進(jìn)制程芯片交由 Rapidus 代工生產(chǎn)，但是，這些廠(chǎng)商能有多少 2nm 制程芯片需求？而將先進(jìn)制程芯片外包給臺積電、三星等晶圓代工廠(chǎng)的客戶(hù)，如蘋(píng)果、高通、AMD、英偉達和聯(lián)發(fā)科，才是出貨量大戶(hù)，他們能否選擇 Rapidus，關(guān)鍵在于這些大客戶(hù)能夠充分了解并認可 Rapidus 的工藝水平，以及所創(chuàng )造的附加值，如果不能的話(huà)，他們很難將訂單從臺積電和三星那里轉出。

另外，僅僅在奧爾巴尼學(xué)到了 IBM 的 2nm 工藝，并不意味著(zhù)可以直接將其應用于 Rupidus 晶圓廠(chǎng)的大規模生產(chǎn)，有很多工程問(wèn)題需要解決，這不是一朝一夕的事情。

還有一個(gè)問(wèn)題是 Rapidus 能獲得多少 EUV 設備，這對 2nm 制程芯片量產(chǎn)至關(guān)重要。ASML 在 2022 年的 EUV 光刻設備出貨量約為 55 臺，2023 年的產(chǎn)能提高到 60 臺以上，到 2025 年可達到 90 臺左右。但是，隨著(zhù)制程工藝的特征尺寸小越來(lái)越小，EUV 光刻的層數會(huì )持續增加，其它幾家晶圓廠(chǎng)會(huì )持續爭奪 EUV 設備，Rapidus 能得到多少呢？

結語(yǔ)

據韓媒報道，臺積電總裁魏哲家沒(méi)有出席 23 日在臺北舉行的臺積電 2024 年技術(shù)論壇，是因為他前往歐洲秘密訪(fǎng)問(wèn) ASML 荷蘭總部和德國工業(yè)激光大廠(chǎng) TRUMPF。

為了沖刺先進(jìn)制程晶圓代工，英特爾已成為 ASML 首臺最新型 High-NA EUV（高數值孔徑 EUV 光刻機）的買(mǎi)家。臺積電高層原本表示，其 2nm 和 A16 制程節點(diǎn)并不需要 High-NA EUV，因為它太貴了。但據 BusinessKorea 報道，臺積電總裁魏哲家這次秘密飛往荷蘭，是與 ASML 商討 EUV 設備事宜。

雖然魏哲家的訪(fǎng)歐行程是保密的，但 ASML 新任 CEO 富凱（Christophe Fouquet）和 TRUMPF 公司 CEO 卡穆勒（Nicola Leibinger-Kammüller）都在社群媒體上曝光了魏哲家到訪(fǎng)的消息。富凱直言，ASML 向魏哲家介紹了公司的最新技術(shù)與產(chǎn)品，包括 High-NA EUV 設備將如何實(shí)現未來(lái)半導體的微制程工藝技術(shù)。

這可以從一個(gè)側面反映出臺積電、英特爾和三星爭奪新一代光刻設備的競爭在升溫，2nm 及以下先進(jìn)制程的競賽已經(jīng)開(kāi)打。