2nm：半導(dǎo)體企業(yè)的一場創(chuàng)新競賽

近日，格芯以非法使用知識產(chǎn)權(quán)和商業(yè)秘密為由起訴了美國 IBM。而日本 Rapidus 公司計劃利用 IBM 提供的技術(shù)，在日本國內(nèi)再次量產(chǎn)先進產(chǎn)品，而這里的先進產(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 的報道，光刻機大廠 ASML 已向臺灣地區(qū)相關(guān)部門申請研發(fā)補貼，以資助 2 納米晶圓光學(xué)測量設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn)。

官司打起來了，ASML 也動起來了，2 納米似乎真的離我們不遠了。

2 納米的主要競爭者

以目前臺積電在晶圓制造領(lǐng)域的地位來看，行業(yè)對臺積電的 2 納米自然是最期待的。與此同時，2 納米也是行業(yè)所期待的代工市場轉(zhuǎn)折點。ICVIEWS 盤點了目前公布 2 納米計劃的市場參與者的規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)各家 2 納米的問世時間基本都規(guī)劃在了 2025 年，同時結(jié)構(gòu)方面都選擇了 GAA。如果各公司的研發(fā)可以順利進行，在不久之后，或許可以看到先進制程市場的百花齊放。

臺積電 2 納米 2025 年如期上線

2022 年技術(shù)研討會上，臺積電正式公布了其 N2（2 納米級）制造技術(shù)，當時臺積電表示該技術(shù)計劃于 2025 年某個時間投入生產(chǎn)，并將成為臺積電第一個使用其基于納米片的柵極全方位場效應(yīng)的節(jié)點晶體管（GAAFET）。新節(jié)點將使芯片設(shè)計人員能夠顯著降低其產(chǎn)品的功耗，根據(jù)臺積電公布的 N2 技術(shù)指標，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，臺積電 2 納米工藝的性能將提升 10%～15%；而在相同性能下，臺積電 2 納米工藝的功耗將降低 23%～30%；晶體管密度提升 10%。

在近日召開的 Q1 季度財報會上，臺積電表示客戶對 2 納米工藝熱情高漲，并且重申 2 納米將按計劃在 2025 年量產(chǎn)，同時臺積電也表示原本計劃建立成熟制程的高雄廠未來將改成先進制程。從目前臺積電透露的信息來看，臺積電對于 2 納米能按時交付頗有自信。

三星向臺積電看齊

已經(jīng)量產(chǎn) 3 納米的三星與臺積電對 2 納米上線的規(guī)劃時間一樣，都是目標是到 2025 年大規(guī)模生產(chǎn)先進的 2 納米技術(shù)芯片，同時三星也宣布計劃到 2027 年大規(guī)模生產(chǎn) 1.4 納米 芯片。不同于臺積電在 2 納米開始選擇 GAA，三星從 3 納米制程就開始使用 GAA 結(jié)構(gòu)。所以相對于臺積電，三星似乎在新結(jié)構(gòu)方面會更有經(jīng)驗，這也成為三星在 2 納米制程中的節(jié)點的優(yōu)勢之一。

英特爾 2 納米 計劃 2024 年問世

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)測芯片流片，2023 年 3 月臺灣媒體表示，英特爾全球高級副總裁兼中國區(qū)董事長王銳透露，Intel20A（業(yè)界的 2 納米制程）和 Intel 18A（相當于 1.8 納米制程）已經(jīng)流片。

這一進度符合英特爾在規(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)。目前來看，英特爾的 2 納米有望最早問世。

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浩大地加入了 2 納米的競爭。

2022 年 8 月，8 家日本頂級企業(yè)：索尼、豐田汽車、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 合作計劃于 2025 年在日本啟動 2 納米制程制造基地。

IBM 的加入讓 Rapidus 的計劃看起來更加有希望，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 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，糧草先行。2 納米芯片的制造也離不開設(shè)備、材料等其他環(huán)節(jié)的研究。

ASML 準備好了嗎？

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

在 2022 SPIE 高級光刻會議上，ASML 介紹了 EUV 的最新進展。根據(jù) ASML 最新消息，新款 EUV 光刻機正在研發(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現(xiàn)。與 EXE:5000 相比，EXE:5200 預(yù)計將帶來幾項改進，包括更高的生產(chǎn)率等等。

2022 年 1 月 19 日，英特爾向 ASML 訂購了最新款高 NA EXE:5200 光刻機。英特爾稱，公司將成為 ASML 第一臺 EXE:5200 的買家。隨后，臺積電、三星也有所動作。在 2022 年 6 月 17 日舉行的技術(shù)研討會上，臺積電研發(fā)高級副總裁米玉杰透露，臺積電將在 2024 年引入 ASML 的最新機器。三星電子的實際負責人李在镕也已經(jīng)到訪荷蘭光刻機龍頭 ASML。

二維材料，成 2 納米的新寵

對于 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。

在 2021 年年臺積電就曾透露將在 2 納米節(jié)點采用新的二維材料。當時，臺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電子，并讓芯片實現(xiàn)更節(jié)能的計算。

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。相比于當前的硅材料，二維材料厚度可小于 1 納米，相當于一至三層原子，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，臺積電和麻省理工（MIT）共同提出了一項有關(guān)鉍的研究。據(jù)介紹，半金屬鉍（Bismuth，化學(xué)符號 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)和電路研討會上，展示了通過納米硅通孔（nTSV）在埋地電源軌（BPR）上的進行背面供電。IMEC 稱，這是未來基于 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。臺積電和三星電子也十分看重互連技術(shù)對先進制程的影響，均在各自的先進封裝技術(shù)中有所布局。臺積電的芯片互連技術(shù)路線圖更是拓展到了 2035 年，要在 2035 年前實現(xiàn) 1μm 以內(nèi)的 SoIC 互連。

3 納米市場怎么樣？

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

有觀點認為三星和臺積電都在 3 納米上花了不少心思，但從過去的新聞和廠商的公告可以看到，似乎大家都對第一代的 3 納米工藝不感興趣。例如市場上一度傳言，蘋果會成為臺積電第一代 3 納米工藝的唯一客戶。不過，這家美國巨頭迄今都沒有公布其 3 納米產(chǎn)品。

本月美國芯片公司 Marvell 表示，公司基于臺積電 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。

臺積電的 3 納米終于迎來了大客戶，但是并不是想象中的蘋果。而對比之下，三星的首個客戶是一家挖礦的 ASIC 芯片公司。但之后尚沒有公開信息表明三星的 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有公布 3 納米量產(chǎn)的官方消息，目前已知英特爾計劃在 2023 年底推出其 3 納米 等效工藝節(jié)點。這些晶圓專為服務(wù)器級至強芯片設(shè)計。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)器芯片的市場份額，讓英特爾的 3 納米不會「愁賣」。當然這也要看到時候英特爾的產(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。

寫在最后

自從缺芯潮開始以來，市場對于先進制程和成熟制程的重要性就一直進行著討論。「成熟制程的產(chǎn)品產(chǎn)能不足」和「先進制程的產(chǎn)品市場需求突然下滑」成為同時發(fā)生的現(xiàn)狀。盡管如此，科技在不斷地進步，隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，對 2 納米、1 納米的新制程的需求沒有停止。2 納米會來的，而 2 納米帶來的新世界更值得期待。