2nm：半導(dǎo)體企業(yè)的一場(chǎng)創(chuàng)新競(jìng)賽

近日，格芯以非法使用知識(shí)產(chǎn)權(quán)和商業(yè)秘密為由起訴了美國(guó) IBM。而日本 Rapidus 公司計(jì)劃利用 IBM 提供的技術(shù)，在日本國(guó)內(nèi)再次量產(chǎn)先進(jìn)產(chǎn)品，而這里的先進(jìn)產(chǎn)品指的就是 2 納米芯片。

雖然 3 納米還未得到普及，但是產(chǎn)業(yè)圍繞 2 納米的討論卻一直熱烈。為了發(fā)展 2 納米制程，不只晶圓廠摩拳擦掌，芯片制造設(shè)備公司也已經(jīng)將 2 納米的設(shè)備提上日程。據(jù) TechNews 的報(bào)道，光刻機(jī)大廠 ASML 已向臺(tái)灣地區(qū)相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)研發(fā)補(bǔ)貼，以資助 2 納米晶圓光學(xué)測(cè)量設(shè)備的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

官司打起來(lái)了，ASML 也動(dòng)起來(lái)了，2 納米似乎真的離我們不遠(yuǎn)了。

2 納米的主要競(jìng)爭(zhēng)者

以目前臺(tái)積電在晶圓制造領(lǐng)域的地位來(lái)看，行業(yè)對(duì)臺(tái)積電的 2 納米自然是最期待的。與此同時(shí)，2 納米也是行業(yè)所期待的代工市場(chǎng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。ICVIEWS 盤(pán)點(diǎn)了目前公布 2 納米計(jì)劃的市場(chǎng)參與者的規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)各家 2 納米的問(wèn)世時(shí)間基本都規(guī)劃在了 2025 年，同時(shí)結(jié)構(gòu)方面都選擇了 GAA。如果各公司的研發(fā)可以順利進(jìn)行，在不久之后，或許可以看到先進(jìn)制程市場(chǎng)的百花齊放。

臺(tái)積電 2 納米 2025 年如期上線

2022 年技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電正式公布了其 N2（2 納米級(jí)）制造技術(shù)，當(dāng)時(shí)臺(tái)積電表示該技術(shù)計(jì)劃于 2025 年某個(gè)時(shí)間投入生產(chǎn)，并將成為臺(tái)積電第一個(gè)使用其基于納米片的柵極全方位場(chǎng)效應(yīng)的節(jié)點(diǎn)晶體管（GAAFET）。新節(jié)點(diǎn)將使芯片設(shè)計(jì)人員能夠顯著降低其產(chǎn)品的功耗，根據(jù)臺(tái)積電公布的 N2 技術(shù)指標(biāo)，可以看到，相較于其 N3E（3 納米的低成本版）工藝，在相同功耗下，臺(tái)積電 2 納米工藝的性能將提升 10%～15%；而在相同性能下，臺(tái)積電 2 納米工藝的功耗將降低 23%～30%；晶體管密度提升 10%。

在近日召開(kāi)的 Q1 季度財(cái)報(bào)會(huì)上，臺(tái)積電表示客戶對(duì) 2 納米工藝熱情高漲，并且重申 2 納米將按計(jì)劃在 2025 年量產(chǎn)，同時(shí)臺(tái)積電也表示原本計(jì)劃建立成熟制程的高雄廠未來(lái)將改成先進(jìn)制程。從目前臺(tái)積電透露的信息來(lái)看，臺(tái)積電對(duì)于 2 納米能按時(shí)交付頗有自信。

三星向臺(tái)積電看齊

已經(jīng)量產(chǎn) 3 納米的三星與臺(tái)積電對(duì) 2 納米上線的規(guī)劃時(shí)間一樣，都是目標(biāo)是到 2025 年大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)的 2 納米技術(shù)芯片，同時(shí)三星也宣布計(jì)劃到 2027 年大規(guī)模生產(chǎn) 1.4 納米 芯片。不同于臺(tái)積電在 2 納米開(kāi)始選擇 GAA，三星從 3 納米制程就開(kāi)始使用 GAA 結(jié)構(gòu)。所以相對(duì)于臺(tái)積電，三星似乎在新結(jié)構(gòu)方面會(huì)更有經(jīng)驗(yàn)，這也成為三星在 2 納米制程中的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)之一。

英特爾 2 納米 計(jì)劃 2024 年問(wèn)世

自 2021 年初帕特·基辛格出任 CEO，英特爾提出了包括 Intel 7、4、3、20A、18A 在內(nèi)的五大先進(jìn)制程路線圖。2022 年，有消息稱基于 Intel 20A 工藝的 Arrow Lake 已經(jīng)有內(nèi)測(cè)芯片流片，2023 年 3 月臺(tái)灣媒體表示，英特爾全球高級(jí)副總裁兼中國(guó)區(qū)董事長(zhǎng)王銳透露，Intel20A（業(yè)界的 2 納米制程）和 Intel 18A（相當(dāng)于 1.8 納米制程）已經(jīng)流片。

這一進(jìn)度符合英特爾在規(guī)劃中提出的 intel20A 2024 年上半年投產(chǎn)，那么或許也可以期待 Intel18A 2024 年下半年投產(chǎn)。目前來(lái)看，英特爾的 2 納米有望最早問(wèn)世。

2 納米制程的黑馬 Rapidus

除了代工的三大巨頭，一家日本公司也聲勢(shì)浩大地加入了 2 納米的競(jìng)爭(zhēng)。

2022 年 8 月，8 家日本頂級(jí)企業(yè)：索尼、豐田汽車(chē)、日本電信電話、日本電氣、日本電裝、軟銀、鎧俠和三菱日聯(lián)銀行分別出資 3 億-10 億日元不等，合資打造了這家定位高端芯片公司。同年 12 月，IBM 宣布將與 Rapidus 合作計(jì)劃于 2025 年在日本啟動(dòng) 2 納米制程制造基地。

IBM 的加入讓 Rapidus 的計(jì)劃看起來(lái)更加有希望，IBM 雖然已經(jīng)不再是 IDM 公司，但仍保留了一家芯片制造研發(fā)中心。而在 2021 年，IBM 推出全球首款 2 納米制程的芯片。同樣 IBM 的 2 納米也使用了 GAA 結(jié)構(gòu)。所以，可以說(shuō) Rapidus 雖然起步晚了一些，但在 2 納米制程方面也有了底氣。

2 納米的糧草：都在路上

兵馬未動(dòng)，糧草先行。2 納米芯片的制造也離不開(kāi)設(shè)備、材料等其他環(huán)節(jié)的研究。

ASML 準(zhǔn)備好了嗎？

光刻機(jī)作為芯片制造中最關(guān)鍵的設(shè)備，ASML 成為代工廠們競(jìng)相追逐的對(duì)象。畢竟當(dāng)下全球范圍內(nèi)，僅有 ASML 能供應(yīng) 7 納米以下的 EUV。

在 2022 SPIE 高級(jí)光刻會(huì)議上，ASML 介紹了 EUV 的最新進(jìn)展。根據(jù) ASML 最新消息，新款 EUV 光刻機(jī)正在研發(fā)中，NA 將從 0.33 增加到 0.55（NA 是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度），2 納米工藝的芯片都將依賴其實(shí)現(xiàn)。與 EXE:5000 相比，EXE:5200 預(yù)計(jì)將帶來(lái)幾項(xiàng)改進(jìn)，包括更高的生產(chǎn)率等等。

2022 年 1 月 19 日，英特爾向 ASML 訂購(gòu)了最新款高 NA EXE:5200 光刻機(jī)。英特爾稱，公司將成為 ASML 第一臺(tái) EXE:5200 的買(mǎi)家。隨后，臺(tái)積電、三星也有所動(dòng)作。在 2022 年 6 月 17 日舉行的技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電研發(fā)高級(jí)副總裁米玉杰透露，臺(tái)積電將在 2024 年引入 ASML 的最新機(jī)器。三星電子的實(shí)際負(fù)責(zé)人李在镕也已經(jīng)到訪荷蘭光刻機(jī)龍頭 ASML。

二維材料，成 2 納米的新寵

對(duì)于 2 納米需要的新型材料，二維材料是目前半導(dǎo)體行業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)。

在 2021 年年臺(tái)積電就曾透露將在 2 納米節(jié)點(diǎn)采用新的二維材料。當(dāng)時(shí)，臺(tái)積電表示正在研究的新材料包括二硫化鎢（WuS2）和碳納米管等二維材料。這些二維材料能夠更有效地移動(dòng)電子，并讓芯片實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的計(jì)算。

和晶體管結(jié)構(gòu)的變化類似，二維材料的應(yīng)用也是為了解決晶體管微縮后帶來(lái)的量子效應(yīng)，解決漏電發(fā)熱、提升芯片能耗，并減小芯片面積。相比于當(dāng)前的硅材料，二維材料厚度可小于 1 納米，相當(dāng)于一至三層原子，逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。二維半導(dǎo)體材料天生更適用于 2 納米及之后的先進(jìn)制程，二硫化鎢和碳納米管是目前最具代表性的二維材料。

近日，臺(tái)積電和麻省理工（MIT）共同提出了一項(xiàng)有關(guān)鉍的研究。據(jù)介紹，半金屬鉍（Bismuth，化學(xué)符號(hào) Bi）則有望成為二維材料（2D materials）的接觸電極。

晶圓的背面：背面供電技術(shù)

隨著摩爾定律逼近極限，晶圓制造的研究正在尋找新的角度。

IMEC 在 2022 年 IEEE VLSI 技術(shù)和電路研討會(huì)上，展示了通過(guò)納米硅通孔（nTSV）在埋地電源軌（BPR）上的進(jìn)行背面供電。IMEC 稱，這是未來(lái)基于 2 納米制程的 2.5D 和 3D 芯片的關(guān)鍵技術(shù)，該方案將在系統(tǒng)層面提高芯片整體供電性能，避免受到功率密度提升和電源電壓下降的影響。目前三星、臺(tái)積電、英特爾都透露將在 2 納米制程中使用背面供電技術(shù)。

此外，隨著芯片制程演進(jìn)和晶體管結(jié)構(gòu)的改變，新的互連技術(shù)被業(yè)內(nèi)視作 2 納米制程中降低整體電阻和 RC 延遲的關(guān)鍵。臺(tái)積電和三星電子也十分看重互連技術(shù)對(duì)先進(jìn)制程的影響，均在各自的先進(jìn)封裝技術(shù)中有所布局。臺(tái)積電的芯片互連技術(shù)路線圖更是拓展到了 2035 年，要在 2035 年前實(shí)現(xiàn) 1μm 以內(nèi)的 SoIC 互連。

3 納米市場(chǎng)怎么樣？

業(yè)界都在關(guān)心 2 納米，不過(guò)眼前 3 納米的市場(chǎng)怎么樣呢？

有觀點(diǎn)認(rèn)為三星和臺(tái)積電都在 3 納米上花了不少心思，但從過(guò)去的新聞和廠商的公告可以看到，似乎大家都對(duì)第一代的 3 納米工藝不感興趣。例如市場(chǎng)上一度傳言，蘋(píng)果會(huì)成為臺(tái)積電第一代 3 納米工藝的唯一客戶。不過(guò)，這家美國(guó)巨頭迄今都沒(méi)有公布其 3 納米產(chǎn)品。

本月美國(guó)芯片公司 Marvell 表示，公司基于臺(tái)積電 3 納米工藝打造的數(shù)據(jù)中心芯片正式發(fā)布。這也是臺(tái)積電的首款已公布的 3 納米芯片，據(jù) Marvell 介紹，公司在該節(jié)點(diǎn)中的業(yè)界首創(chuàng)硅構(gòu)建模塊包括 112G XSR SerDes（串行器/解串行器）、Long Reach SerDes、PCIe Gen 6 / CXL 3.0 SerDes 和 240 Tbps 并行芯片到芯片互連。

臺(tái)積電的 3 納米終于迎來(lái)了大客戶，但是并不是想象中的蘋(píng)果。而對(duì)比之下，三星的首個(gè)客戶是一家挖礦的 ASIC 芯片公司。但之后尚沒(méi)有公開(kāi)信息表明三星的 3 納米有哪些大客戶下單，如果找不到外部客戶下單，或許三星的客戶只能是自己。

另外一家巨頭英特爾還沒(méi)有公布 3 納米量產(chǎn)的官方消息，目前已知英特爾計(jì)劃在 2023 年底推出其 3 納米 等效工藝節(jié)點(diǎn)。這些晶圓專為服務(wù)器級(jí)至強(qiáng)芯片設(shè)計(jì)。第 5 代 Xeon Emerald Rapids-SP 將采用 Intel 3 工藝制造。Emerald Rapids 將在 Sapphire Rapids 一年內(nèi)作為軟更新推出。與三星相比，英特爾在服務(wù)器芯片的市場(chǎng)份額，讓英特爾的 3 納米不會(huì)「愁賣(mài)」。當(dāng)然這也要看到時(shí)候英特爾的產(chǎn)能與良率能否按照預(yù)期規(guī)劃，滿足英特爾服務(wù)器客戶的需求。

寫(xiě)在最后

自從缺芯潮開(kāi)始以來(lái)，市場(chǎng)對(duì)于先進(jìn)制程和成熟制程的重要性就一直進(jìn)行著討論?！赋墒熘瞥痰漠a(chǎn)品產(chǎn)能不足」和「先進(jìn)制程的產(chǎn)品市場(chǎng)需求突然下滑」成為同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)狀。盡管如此，科技在不斷地進(jìn)步，隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，對(duì) 2 納米、1 納米的新制程的需求沒(méi)有停止。2 納米會(huì)來(lái)的，而 2 納米帶來(lái)的新世界更值得期待。