芯片巨頭開(kāi)戰2納米

今年1月，荷蘭ASML生產(chǎn)的第一臺High-NA EUV光刻機首次開(kāi)箱面世。這臺總重約150噸、需250個(gè)集裝箱才能裝下的龐然巨物，可將世界上最先進(jìn)的芯片制程從3納米進(jìn)一步縮小至2納米。它的出現也打響了半導體廠(chǎng)商量產(chǎn)2納米芯片的第一槍。

作為全球排名第一的晶圓代工廠(chǎng)，臺積電是跑得最快的選手。

據中國臺灣《工商時(shí)報》3月29日報道，臺積電2納米制程布局全線(xiàn)提速，公司位于新竹寶山Fab20 P1廠(chǎng)將于4月進(jìn)行設備安裝工程，為其2納米芯片量產(chǎn)熱身準備，預計臺積電寶山P1、P2及高雄三座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)均于2025年量產(chǎn)，吸引蘋(píng)果、英偉達、AMD及高通等客戶(hù)爭搶產(chǎn)能。

雖然臺積電回復媒體稱(chēng)不發(fā)表評論，但按照公司2022年7月在投資者會(huì )議上公布的路線(xiàn)圖，2納米制程將在2024年試產(chǎn)，2025年量產(chǎn)。臺積電正按規劃時(shí)間表如期于今年開(kāi)啟2納米芯片的生產(chǎn)。

除臺積電外，2納米賽道上也出現了三星、英特爾追趕的身影。

作為與臺積電在5納米、3納米纏斗多年的老對手，三星在2納米的競爭上也步步緊逼。根據韓國媒體ZDNet報道，三星已通知客戶(hù)和合作伙伴，將從今年年初開(kāi)始將其第二代3納米制程更名為2納米制程。雖然公司始終未回應外界對其“靠改名領(lǐng)先對手”的質(zhì)疑，但日前已官宣2納米或將在今年底前開(kāi)始量產(chǎn)。

而英特爾則是重返賽場(chǎng)的“新對手”。早年靠制造芯片創(chuàng )業(yè)，但后來(lái)被臺積電與三星甩在身后，又在10納米、7納米制程上接連折戟后，英特爾在芯片制造領(lǐng)域明顯掉隊，先進(jìn)制程芯片幾乎全部外包給臺積電代工。

但自從現任CEO帕特·基辛格上臺后，公司便在其領(lǐng)導之下計劃重振制造芯片的晶圓代工業(yè)務(wù)。在2月份舉辦的首屆Intel Foundry Direct Connect大會(huì )上，英特爾公布了旗下intel 18A（按照英特爾官方定義為1.8納米、但業(yè)內通常將其與對手的2納米進(jìn)行橫向對比）、及更先進(jìn)的未來(lái)制程路線(xiàn)圖，且intel 18A規劃的量產(chǎn)時(shí)間與兩大對手相近，2024年下半年準備就緒量產(chǎn)，2025年會(huì )推出基于18A的產(chǎn)品。

距離臺積電、三星在2022年推出3納米制程芯片剛滿(mǎn)一年，2納米的競爭就已經(jīng)被提上日程。面對臺積電全球第一大芯片代工廠(chǎng)的領(lǐng)先地位，三星、英特爾都不約而同地將2納米看作彎道超車(chē)的機會(huì )——前者喊話(huà)要在三年之內重奪芯片市場(chǎng)第一，后者誓言要在2030年建成全球第二大代工廠(chǎng)。

2納米變成新戰場(chǎng)

按照半導體行業(yè)經(jīng)典的摩爾定律，集成電路可容納的晶體管數目，每隔18個(gè)月便會(huì )增加一倍，性能相應也增加一倍。大眾所知的幾納米通常指代晶體管的尺寸，為在集成電路上盡可能容納更多的晶體管，從10納米到7納米，再到5納米、3納米，晶體管尺寸越做越小，芯片也相應越來(lái)越小。

2納米最早出現在2021年。IBM當時(shí)發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片。根據官方資料介紹，IBM的這顆2納米制程芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上，與7納米制程的芯片相比，其運算速度將快45%，效率則將提高75%。但業(yè)內普遍認為IBM作為研究機構，尚不具備量產(chǎn)的能力，2納米制程芯片從實(shí)驗室到量產(chǎn)，還需要一段時(shí)間。

在芯片制程尺寸不斷縮小的過(guò)程中，芯片廠(chǎng)商需要解決的問(wèn)題更多，例如漏電。在臺積電為2納米芯片設計的技術(shù)方案中，首次用上了GAAFET架構。GAAFET架構全稱(chēng)全包圍柵場(chǎng)效應晶體管，與突破14納米制程以下沿用的FinFET架構不同，GAAFET利用柵電極覆蓋電流通道的四個(gè)側面，而非傳統的三個(gè)，能夠讓晶體管繼續縮小下去而不漏電，從而允許在降低運行功率的情況下顯著(zhù)提高性能。

類(lèi)似具有里程碑意義的方案還包括晶圓背面供電。較于傳統正面供電，這項技術(shù)能夠降低電壓降，從而減少功耗，顯著(zhù)提升芯片性能的表現。

此前，三星已經(jīng)在其3納米制程上采用了上述兩項技術(shù)方案，英特爾也在持續跟進(jìn)。多位產(chǎn)業(yè)人士表示，從2納米開(kāi)始，GAAFET與背部供電將會(huì )成為行業(yè)標配。

長(cháng)期關(guān)注半導體制程工藝的全德學(xué)投資總監方亮向界面新聞介紹，每一代制程在內部大致分研發(fā)與量產(chǎn)兩個(gè)階段。芯片廠(chǎng)首先在實(shí)驗室不計代價(jià)地投入制造出少量的晶圓，緊接著(zhù)掌握技術(shù)、提升良率至30%-40%；然后量產(chǎn)部門(mén)就會(huì )接手，依次進(jìn)行風(fēng)險試產(chǎn)、小規模量產(chǎn)，再到大規模量產(chǎn)，不斷推高良率并提升產(chǎn)能。等到芯片良率達到60%-70%左右，就可以基本保證“商業(yè)化階段湊活夠用”。

當一家芯片廠(chǎng)商在某代制程芯片上可以保持80%以上的良率，月產(chǎn)能攀升至10萬(wàn)片，它就基本能在這一代先進(jìn)制程工藝上站穩腳跟。

同時(shí)，為保持足夠快的迭代節奏，芯片廠(chǎng)商會(huì )保持“量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代”的工作流程。

據《財經(jīng)十一人》此前報道，臺積電一般會(huì )有三個(gè)團隊，同步開(kāi)展三代制程的研究。一個(gè)團隊從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個(gè)團隊從事2納米制程的研發(fā)，還有一個(gè)團隊會(huì )進(jìn)行1.5納米制程路徑的研發(fā)。3納米制程量產(chǎn)后，3納米制程的團隊就會(huì )跳到1.5納米的團隊加入研發(fā)，1.5納米的團隊就跳往下一代更小制程的路徑研發(fā)，如此滾動(dòng)接力。因此外界看來(lái)每?jì)赡晖瞥鲆淮冗M(jìn)制程的周期，內部布局常常有五六年之久。

按照三星、臺積電、英特爾三家已經(jīng)公布的時(shí)間表，2納米將在2025年實(shí)現量產(chǎn)，而該年被行業(yè)視作一道分水嶺。隨著(zhù)芯片尺寸越做越小，每一代制程的成本投入更大，性能提升的幅度反而更小。

摩爾定律的提出者、已故的英特爾創(chuàng )始人戈登·摩爾曾預測摩爾定律的極限將于2025年左右到來(lái)，臺積電創(chuàng )始人張忠謀也持有同一觀(guān)點(diǎn)。

巨頭站位之爭

TrendForce集邦咨詢(xún)分析師喬安接受采訪(fǎng)分析稱(chēng)，目前觀(guān)察各家2納米芯片的客戶(hù)狀況來(lái)看，以臺積電最為積極，已有超過(guò)10家客戶(hù)導入研發(fā)；三星的2納米基礎仍建立在其3納米制程技術(shù)上，需要持續觀(guān)察良率改善情況；英特爾獨立對外部客戶(hù)的服務(wù)則主要集中在Intel 18A制程上。她判斷，預計要到2026年才會(huì )看到各家2納米產(chǎn)品出現在市面上。

芯片制程的迭代已經(jīng)形成了一個(gè)涉及多個(gè)行業(yè)參與者、技術(shù)和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)的成熟生態(tài)系統，其中不僅包括臺積電、三星等半導體制造商，還包括英偉達、AMD等設計和IP公司，像蘋(píng)果、聯(lián)發(fā)科、高通智能終端客戶(hù)經(jīng)常需要參與共同開(kāi)發(fā)。

專(zhuān)注于科技行業(yè)的國際研究機構Omdia的半導體研究總監何輝告訴記者，臺積電這一類(lèi)成熟的芯片制造廠(chǎng)商一直都是保持相對固定的迭代模式，某一代制程芯片實(shí)現量產(chǎn)了，同年就會(huì )對外公布下一代的目標，包括制程工藝與量產(chǎn)時(shí)間。

何輝判斷，80%的良率是臺積電量產(chǎn)的一個(gè)最低限度，而像其內部成熟的技術(shù)工藝，如5納米，良率應該已經(jīng)超過(guò)95%，大規模量產(chǎn)就已經(jīng)可以持續盈利。

作為全球排名第一的芯片制造廠(chǎng)商，無(wú)論從技術(shù)成熟度，還是從生產(chǎn)能力與規模而言，臺積電都是該領(lǐng)域碾壓對手的霸主。半導體行業(yè)長(cháng)期又是一個(gè)頭部效應極度明顯的市場(chǎng)格局，“老大吃肉，老二喝湯，老三挨餓”是常態(tài)。

在沖擊2納米的賽道上，臺積電同樣已經(jīng)領(lǐng)先競爭對手多個(gè)身位，以最近的上一代3納米制程最為典型，臺積電目前被普遍認為是市場(chǎng)上唯一的勝利者。

此前與臺積電激烈競爭3納米的對手主要是三星。2022年6月，三星宣布推出的3納米制程工藝，領(lǐng)先臺積電近6個(gè)月，但之后便陸續被媒體曝出深陷良率黑洞，無(wú)法滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

有行業(yè)人士對記者分析，三星雖然在7納米、5納米及3納米上緊咬臺積電，但從客戶(hù)的選擇來(lái)看，主要是作為臺積電的“二供”。據TrendFoce研報此前透露，高通將選擇臺積電、三星作為最新一代驍龍處理器3納米芯片的“雙供應商”，但最終又因良率問(wèn)題放棄，全面轉投臺積電。目前，三星3納米芯片在業(yè)內并未傳出有大客戶(hù)買(mǎi)單。

與之形成鮮明對比，臺積電從2022年12月推出3納米制程后，良率與產(chǎn)能穩步爬坡，接連拿下蘋(píng)果、高通、聯(lián)發(fā)科等大客戶(hù)訂單，3納米芯片產(chǎn)量正在開(kāi)始逐步增加，目標要在2024年下半年實(shí)現80%產(chǎn)能利用率。

目前市場(chǎng)上以蘋(píng)果為代表的智能手機廠(chǎng)商是采用3納米制程的主要客戶(hù)，安卓機廠(chǎng)商會(huì )在其后陸續發(fā)布相應的產(chǎn)品。

2025年是3納米制程的普及之年，智能手機CPU SoC芯片（系統級芯片）將會(huì )是最主要的應用。據臺媒Wccftech報道，臺積電已經(jīng)打算在2024年將3納米月產(chǎn)能提高至10萬(wàn)片，同時(shí)專(zhuān)注于進(jìn)一步提高良品率。同時(shí)，三星也在盡全力提升良率、爭取用戶(hù)。

三家之中，英特爾在芯片制造領(lǐng)域長(cháng)年缺少存在感。

根據TrendForce歷年統計的全球十大晶圓代工廠(chǎng)，臺積電穩定以60%上下的市場(chǎng)份額穩居第一，三星約占10%排第二，英特爾僅在2023年第三季度首次入選，份額只有1%，下一季度又被其他廠(chǎng)商超越。

但也有行業(yè)人士對記者表示，英特爾今年一季度開(kāi)始內部重組，將設計與制造徹底分開(kāi)，將晶圓代工業(yè)務(wù)獨立且自負盈虧是其一項重要改革。另值得關(guān)注的是，ASML今年生產(chǎn)的High-NA EUV光刻機，英特爾是業(yè)內第一家拿到首批6臺的客戶(hù)，這一系列動(dòng)作都可以解讀出這家老牌芯片巨頭“壯士斷腕”、發(fā)力2納米的決心。

當前市場(chǎng)對先進(jìn)制程芯片的需求只增不減。隨著(zhù)AI熱潮的爆發(fā)，英偉達數據中心GPU芯片在全球搶購成風(fēng)，雖然相比于智能手機SoC芯片，數據中心芯片對于先進(jìn)制程的需求較為保守，英偉達GTC大會(huì )上發(fā)布的最先進(jìn)B200芯片使用的仍是臺積電的4納米方案，但隨著(zhù)算力需求快速膨脹，其不久之后勢必會(huì )將先進(jìn)制程芯片總量推向一個(gè)前所未有的量級，先進(jìn)制程芯片的產(chǎn)能仍是各家爭搶的目標。

臺積電董事長(cháng)劉德音最近在IEEE網(wǎng)站上署名發(fā)表文章，把半導體行業(yè)過(guò)去50年縮小芯片尺寸的努力比作“在隧道中行走”。如今距離摩爾定律的極限越來(lái)越近，行業(yè)已經(jīng)走到隧道的盡頭，半導體技術(shù)將變得更加難以發(fā)展，2納米將會(huì )是芯片巨頭搶灘的關(guān)鍵一戰。

來(lái)源：界面新聞