1月13日，台積電(diàn)CEO魏哲家表示，2022年70%~80%的資(zī)本預算将用于2納米、3納米等先進工(gōng)藝技術的研發。此前，老對手三星也表示将于2025年量産2納米。去(qù)年，英特爾調整了技術路線，大(dà)踏步向2納米進軍，而IBM展示的2納米工(gōng)藝制程也着實讓人驚豔了一(yī)陣子。新年伊始， 2納米作爲階段性制高點，吹響了芯片先進制程之戰的号角。
台積電(diàn)與三星的戰争
目前，在先進工(gōng)藝這一(yī)賽道上，玩家隻剩下(xià)了台積電(diàn)、三星、英特爾和IBM。現在最先進的制程工(gōng)藝當屬初露鋒芒的4納米了，而能達到此項工(gōng)藝技術水平的，全球也隻有台積電(diàn)和三星兩家。根據此前台積電(diàn)和三星放(fàng)出的消息，2022年将成爲3納米的誕生(shēng)之年，并且都表現出了将在2025年量産2納米的決心。雖然3納米現在還沒被達到量産，但從幾大(dà)廠商(shāng)在3納米上的研發進度就可初見端倪。
台積電(diàn)（南(nán)京）有限公司總經理羅鎮球曾公開(kāi)表示，台積電(diàn)正在用新工(gōng)藝證明了，摩爾定律仍在持續往前推進。作爲先進工(gōng)藝的推動者，台積電(diàn)2018年推出7納米，2020年推出5納米， 2022年将會如期推出3納米，而且2納米工(gōng)藝也在順利研發。
據台積電(diàn)官方資(zī)料顯示，台積電(diàn)的3納米相比上一(yī)代的5納米工(gōng)藝，在邏輯密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下(xià)功耗可降低25%~30%。台積電(diàn)将在2納米節點推出Nanosheet/Nanowire的晶體(tǐ)管架構并采用新的材料，在性能、功耗和密度也将進一(yī)步提升。
賽迪顧問集成電(diàn)路産業研究中(zhōng)心高級分(fēn)析師楊俊剛向《中(zhōng)國電(diàn)子報》表示，台積電(diàn)将會在2納米芯片中(zhōng)采用GAAFET工(gōng)藝，目前來看台積電(diàn)已經試産了3納米芯片，預計今年将會量産，但是台積電(diàn)3納米的工(gōng)藝現在還是采用FinFET工(gōng)藝，從研發到生(shēng)産上，FinFET轉到GAAFET還需要有一(yī)定的适應調節能力。
平面晶體(tǐ)管與FinFET以及GAA FET示意圖
資(zī)料來源：LamResearch
“從質量和産量兩方面考慮，台積電(diàn)無疑會率先推出2納米代工(gōng)工(gōng)藝，目前台積電(diàn)投資(zī)約300億美金的Fab20正在建設，預計2024開(kāi)始運營，主要負責3/2/1納米先進工(gōng)藝，2025年2納米将在這裏最早實現量産。”芯謀研究高級分(fēn)析師張彬磊笃定的向《中(zhōng)國電(diàn)子報》記者表示。
三星作爲台積電(diàn)最強有力的對手，近幾年的發展速度飛快，并且多次公開(kāi)表示要在芯片加工(gōng)領域與台積電(diàn)展開(kāi)競争，全球敢這麽叫闆台積電(diàn)的也就隻有三星了。在IEDM 2021 國際電(diàn)子元件大(dà)會上，三星更是攜手IBM宣布了一(yī)種名爲垂直傳輸場效應晶體(tǐ)管 (VTFET) 的芯片設計技術，并表示該技術突破了目前1納米工(gōng)藝設計的瓶頸。
2021年10月，三星宣布3納米芯片已經開(kāi)始成功流片，将于2022年上半年開(kāi)始生(shēng)産，2納米芯片将于2025年量産，并且3納米工(gōng)藝就将會采用GAA工(gōng)藝，2納米技術将會持續采用GAA工(gōng)藝，在3納米進軍2納米工(gōng)藝的技術節點上将會節省一(yī)些步驟。
TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工(gōng)企業市場份額占比排名
盡管三星的進步很大(dà)，但與台積電(diàn)的差距仍然很大(dà)——市場研究公司TrendForce的報告中(zhōng)顯示，2021第三季，三星代工(gōng)銷售額相較于第二季度增長11.0%至48.1億美元，市場份額卻從2020年的17.3%下(xià)降到17.1%。而台積電(diàn)第三季度占比53.1%，比第二季度的52.9% 增加了0.2個百分(fēn)點。楊俊剛認爲，原因在于台積電(diàn)在晶圓代工(gōng)領域積累了豐富的客戶資(zī)源，包括蘋果、華爲、高通、英偉達等。而且先進工(gōng)藝技術快速且穩定，對于蘋果、華爲、高通等追求先進制程叠代速率較快的企業，産品更早進入市場，會爲自身帶來一(yī)定的市場優勢。産能方面，台積電(diàn)的晶圓代工(gōng)産能領先三星于三倍之多，在産能使用和保障上，規模更大(dà)的廠商(shāng)會更有優勢。其次，台積電(diàn)屬于純晶圓代工(gōng)廠，而三星是一(yī)個IDM企業，自身生(shēng)産的産品和一(yī)些純IC設計廠商(shāng)的産品具有競争關系，客戶也會在挑選代工(gōng)廠商(shāng)上有所考慮。
張彬磊從産品品質方面指出，按照以往的經驗來看，三星在晶體(tǐ)管參數、芯片功耗、發熱問題、良品率上都比台積電(diàn)略遜一(yī)籌。特别是采用三星制程的芯片始終擺脫不了嚴重過熱問題，性能也低于台積電(diàn)所代工(gōng)的芯片，使得三星很難擴大(dà)市場占有率。
英特爾、IBM左右逢源
英特爾“牙膏廠”的名号在外(wài)甚是響亮，原因就在于研發進度過慢(màn)，工(gōng)藝停留在7納米的時間過長，像是在擠牙膏一(yī)樣，不少人懷疑英特爾黔驢技窮了。但最近英特爾像是突然意識到了危機感一(yī)樣，到處求合作，此前和三星、IBM簽署了聯合開(kāi)發協議，共同研發2納米制造工(gōng)藝，而現在又(yòu)傳出要與台積電(diàn)合作，可以說是左右逢源。
楊俊剛表示，英特爾在去(qù)年7月份的工(gōng)藝和封裝大(dà)會上，公布了英特爾最新的技術路線，首先把重要工(gōng)藝命名進行了修改10納米技術改名Intel 7，7納米技術改爲Intel4,5納米技術改成Intel 3,2納米技術改成Intel20A，Intel20A工(gōng)藝也是開(kāi)始由FinFET工(gōng)藝轉向了GAA晶體(tǐ)管，其中(zhōng)将會采用兩項RibbonFET、PowerVia技術。其中(zhōng)RibbonFET技術是英特爾自FinFET技術以來推的首個技術。并且英特爾表示将會尋求和台積電(diàn)合作，雙方共同加強對2納米工(gōng)藝技術的研發。
而老将IBM爲我(wǒ)們帶來的最大(dà)的驚喜就是在2021年5月發布的全球首個2納米制造工(gōng)藝，并在紐約州奧爾巴尼的工(gōng)廠展示了2納米工(gōng)藝生(shēng)産的完整300mm晶圓。據預計，IBM 2nm工(gōng)藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體(tǐ)管。相比之下(xià)，台積電(diàn)5nm工(gōng)藝每平方毫米約爲1.71億個晶體(tǐ)管，三星5nm工(gōng)藝每平方毫米約爲1.27億個晶體(tǐ)管。這使得2nm芯片的性能有望提升45%、功耗有望降低75%。
“此款2納米芯片，并未實現真正産業化，采用了GAA工(gōng)藝，使2納米的晶體(tǐ)管密度達到了333.33（MTr/mm2），高于目前所已知(zhī)的其他芯片制造的工(gōng)藝的晶體(tǐ)管密度。”楊俊剛介紹到。但張彬磊認爲，這種實驗室工(gōng)藝，與量産工(gōng)藝差距很大(dà)。IBM和英特爾應該把目标放(fàng)在5納米以上的工(gōng)藝。
2納米要過三道坎兒
想要研發出2納米芯片，所需要的環節非常繁多且缺一(yī)不可，就像我(wǒ)們在做手工(gōng)時，都需要擁有合适且優秀的材料、熟練且完善的技術和先進且趁手的工(gōng)具，在先進制程的研發中(zhōng)更是如此，其中(zhōng)晶體(tǐ)管架構方式的轉變和優化就是技術的象征。
對于2納米的研發來說，新型材料的選擇與應用一(yī)樣會起到至關重要的作用。喬安表示，半導體(tǐ)制程已逐漸逼近物(wù)理極限，因此晶體(tǐ)管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是芯片持續提高效能、降低功耗的關鍵。
中(zhōng)國科學院院士張躍指出，矽基集成電(diàn)路制程與制造技術經曆了數十年的發展，特别是在高端芯片領域已經形成了完整的産業鏈與技術鏈。近年來，二維材料及其範德華異質結電(diàn)子學器件已經在超低功耗晶體(tǐ)管、超快邏輯運算、光電(diàn)互聯以及新型高密度存儲等領域表現出巨大(dà)的發展潛力。
碳納米管基芯片
資(zī)料來源:Nature,2019,Vol.572,Page586
二維材料和一(yī)維材料是未來突破2納米以下(xià)先進制程研發的潛力材料。石墨烯、碳納米管、過渡金屬化合物(wù)等二維或一(yī)維材料的尺寸較小(xiǎo)，是未來有望替代矽基的新材料。目前碳納米管基芯片及石墨烯芯片已經有國際研發機構成功實現小(xiǎo)規模的研發實驗，未來通過中(zhōng)試和量産後，有望突破矽基材料難以延續摩爾定律的困境。賽迪顧問集成電(diàn)路中(zhōng)心高級咨詢顧問池憲念向《中(zhōng)國電(diàn)子報》記者表示。
目前，2納米制程技術關注的重點在于晶體(tǐ)管架構将由FinFET正式進入GAAFET世代，相較于FinFET，GAAFET架構爲四面環繞式包覆，更能有效提高效能同時控制漏電(diàn) (降低功耗)；TSMC在2納米将正式導入GAAFET，而Samsung2納米制程将爲其第二代GAAFET架構制程，預期整體(tǐ)穩定性及效能都将更加提升。TrendForce集邦咨詢分(fēn)析師喬安表示。
從目前的各個大(dà)廠公布的技術來看，GAA（Gate-All-Around）FET全栅場效應晶體(tǐ)管技術将會成爲2納米芯片研制的主流工(gōng)藝，GAAFET工(gōng)藝采用的是納米線溝道設計。溝道整個外(wài)輪廓都被栅極完美包裹，對溝道的控制能力會更好，并且擁有更好的靜電(diàn)特性，尺寸能夠進一(yī)步微縮。
最後是硬件設備是否足夠先進可以支撐2納米的制造，自然就是指光刻機，而現有的光刻機是否已經滿足2納米的開(kāi)發需求了呢？
張彬磊認爲,當前的光刻機支持2納米工(gōng)藝研發完全沒有問題，5納米量産工(gōng)藝的光刻機使用多層曝光工(gōng)藝就可以實現。但是考慮到成本，量産需要的光刻機目前ASML還在開(kāi)發中(zhōng)。
目前已量産的光刻機還不能滿足2納米的開(kāi)發需求。據公開(kāi)信息，荷蘭ASML公司正在研發High NA（高數值孔徑）EUV光刻機，可滿足2納米的研發和生(shēng)産需求。首台High NA EUV光刻機将于2023年開(kāi)放(fàng)早期測試，并從2025年開(kāi)始量産。但具體(tǐ)來看，滿足2納米制程生(shēng)産需求的光刻機還需要突破光學分(fēn)辨率的問題，道阻且長。同時，爲适應2納米的開(kāi)發需求，光刻膠也需要進行進一(yī)步的革新以滿足光刻機更高分(fēn)辨率的需求。
2納米之後
盡管現在處于後摩爾時代中(zhōng)，但2納米的研發已經慢(màn)慢(màn)出現了輪廓，但是否還會向1納米發展，甚至進入埃米時代，先進工(gōng)藝的發展曆程是否還會穩步發展下(xià)去(qù)。
目前來看，除了少數需要超大(dà)算力或者存儲容量且對芯片體(tǐ)積、能耗極爲敏感的領域，1納米及以上的成熟工(gōng)藝幾乎已經完全可以滿足民用類芯片的所有需求。除非在新的通信技術加持下(xià)推出需要超大(dà)算力、存儲容量的爆款應用産品，否則很難讓普通消費(fèi)者爲手機支付較大(dà)開(kāi)支，來進一(yī)步大(dà)幅提升性能。衆所周知(zhī)，先進工(gōng)藝代工(gōng)價格非常昂貴，民用芯片一(yī)是考慮性能，二就是價格。
喬安表示，根據目前先進制程領導廠商(shāng)台積電(diàn)、三星及英特爾所發布的制程路徑圖觀察，先進制程的發展仍然在持續進行。然而如同上述，在半導體(tǐ)制程逐漸逼近物(wù)理極限的趨勢下(xià)，晶體(tǐ)管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是摩爾定律延續下(xià)去(qù)的重點。
先進工(gōng)藝肯定會遭遇物(wù)理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風險，後摩爾時代的重點将不會聚焦在無限制提升工(gōng)藝制程上面，而是通過先進封裝、Chiplet、優化芯片架構，甚至提升軟件層面的算法，來提升芯片的運算效率，在這些領域，可供提升的空間還很大(dà)，創道投資(zī)咨詢總經理步日欣向《中(zhōng)國電(diàn)子報》記者表示。
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