電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）近日，臺積電在2022技術(shù)研討會上披露了未來先進制程的相關(guān)信息，N3（3nm）工藝將于2022年內(nèi)量產(chǎn)，后續(xù)還將有N3E、N3P、N3X等系列，而N2（2nm）工藝將在2025年量產(chǎn)，這也是臺積電首次正式公布2nm量產(chǎn)的時間。

此前三星便已經(jīng)在2021年宣布了3nm工藝節(jié)點，其中3GAE（低功耗版）版已經(jīng)在2022年實現(xiàn)量產(chǎn)，而3GAP（高性能版）則會在2023年左右批量生產(chǎn)。盡管沒有在工藝路線圖上公布2nm制程的量產(chǎn)時間，不過三星代工市場策略高級副總裁MoonSoo Kang透露，2GAP工藝將會在2025年量產(chǎn)。不過當(dāng)市場期待臺積電與三星在2nm制程爭鋒時，誰也沒想到，這時來了位攪局者。

激進的三星

盡管當(dāng)前芯片最先進制程已經(jīng)開始向2nm邁進，但在7nm以上的高制程工藝目前全球仍然僅有臺積電與三星。雖然英特爾也開始向7nm進發(fā)，但按照英特爾的說法，其愛爾蘭的Fab 34晶圓廠才剛剛安裝完第一臺EUV光刻機沒多久，Intel 4工藝（即7nm工藝）預(yù)計在今年下半年量產(chǎn)。

之所以半導(dǎo)體芯片高制程工藝做的廠商這么少，一方面在于需要投入大量的資金，動輒成百上千億美元的投入，不是隨便哪家企業(yè)可以承擔(dān)的；另一方面在于市場供需上，盡管市場規(guī)模很大，但客戶并不多，有能力為企業(yè)高制程芯片買單的用戶就那么幾家，容不下太多的玩家。

也因此，市場中僅剩下臺積電、三星、英特爾等少數(shù)幾位廠商仍然在向著高制程工藝發(fā)起沖擊。

近幾年，三星的不斷加大對半導(dǎo)體的投入，并且希望在晶圓代工領(lǐng)域一舉超過臺積電。為此決定在2030年前持續(xù)投入達1160億美元，以實現(xiàn)在3nm制程上趕超臺積電，并計劃在2025年實現(xiàn)芯片制造方面的領(lǐng)先。

從工藝進度來看，三星在2020年開始量產(chǎn)5nm工藝，2021年4nm成功量產(chǎn)，2022年3nm工藝成功量產(chǎn)，并且預(yù)計到2025年達到量產(chǎn)2nm工藝的水準(zhǔn)。從時間進度來看，三星已經(jīng)逐步趕上了臺積電。

并且在3nm制程上，近期三星更是公開了3nm制程工藝的12英寸晶圓，并且三星還將率先采用新一代GAA技術(shù)。GAA是一種新型的環(huán)繞柵極晶體管，通過納米片設(shè)備可制造出多橋－通道場效應(yīng)管MBCFET，該技術(shù)可以顯著增強晶體管性能，解決柵極氧化層過薄產(chǎn)生量子隧穿等效應(yīng)造成的晶體管漏電現(xiàn)象。

同時，三星與IBM聯(lián)合推出了一種新的垂直晶體管架構(gòu)VTFET，在同等功率下，VTFET晶體管提供了FinFET晶體管2倍的性能，而在等效頻率下，VTFET可以節(jié)省85%的功率。

據(jù)三星官方介紹，3nm GAA技術(shù)相比7nm制程工藝來說，邏輯面積效率提高了45%以上，功耗降低了50%，性能提高了約35%。從紙面數(shù)據(jù)來看，三星的3nm已經(jīng)勝過了臺積電，但事實果真如此嗎？

首先是三星4nm工藝的對于芯片實際性能與功耗的平衡并沒有如他們自己說得這么強悍，典型的例子是三星所代工生產(chǎn)的驍龍888與驍龍8 Gen 1在性能提升的同時，功耗也急劇飆升。而最新發(fā)布的驍龍8plus，采用臺積電4nm工藝，在CPU和GPU性能均有10%的提升，同時綜合功耗降低了15%，可見兩者仍存在一定的差距。

更何況三星此前在新的制程工藝上還傳出其良率只有35%，并且芯片發(fā)熱問題十分嚴重，這也勸退了不少大客戶，如英偉達、高通等。三星想要超越臺積電的道路，沒那么容易。

穩(wěn)健的臺積電

相比三星，臺積電則相對穩(wěn)健得多。比如三星決定在2030年前投入1160億美元用于半導(dǎo)體制程的研發(fā)，而臺積電在2021年便投入了300億美元，超過原有計劃的280億美元，并且表示將在今年投入的80%左右用于研發(fā)2nm等先進制程，10%左右先進封裝，其余則用于成熟制程的投入。

同時，三星激進的在3nm工藝便準(zhǔn)備采用GAA技術(shù)，而臺積電要在2nm時才會選擇使用。不僅是新的晶體管結(jié)構(gòu)上，在材料上也有了較大的突破，據(jù)了解，臺積電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。

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(dāng)前的硅材料，二維半導(dǎo)體材料天生更適用于2nm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。

有了材料以及結(jié)構(gòu)，還需要擁有相應(yīng)的工具。近日，臺積電研究發(fā)展資深副總經(jīng)理米玉杰公開表示，臺積電將在2024年引進ASML最先進的高數(shù)值孔徑極紫外光（high-NA EUV）光刻機，來應(yīng)對客戶推動創(chuàng)新的需求。

不過臺積電業(yè)務(wù)開發(fā)資深副總經(jīng)理張曉強表示，臺積電在2024年還不準(zhǔn)備應(yīng)用這臺high-NA EUV工具來進行生產(chǎn)，主要的使用目的是合作伙伴進行研究。

倒是作為近幾年重新進入先進晶圓代工市場的英特爾表示，會在2025年使用high-NA EUV，還表示將率先收到這臺機器。

不管如何，至少證明臺積電不管是在晶體管技術(shù)、制造材料、芯片制造設(shè)備上都已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，那么下一步就是如何去做的問題。因此就在近期，臺積電宣布計劃斥資1萬億新臺幣（約合人民幣2250億元），在中國臺灣臺中市建設(shè)一座新的晶圓廠，專門負責(zé)2nm芯片的生產(chǎn)。

目前臺積電一步步向2nm制程推進，相比三星的激進，臺積電則走得非常穩(wěn)健。不過這也是因為三星是攻擂者，而臺積電是守擂者的原因。

意外的攪局者

就在臺積電與三星在先進制程領(lǐng)域你追我趕，準(zhǔn)備在2025年以2nm來一決高下的時候，卻闖進來了一位攪局者。近日，據(jù)日媒報道，美國繞開臺積電與日本合作，預(yù)計最早將于2025年在日本本土建立2nm芯片制造工廠。同時，日美兩國政府還將根據(jù)雙邊芯片技術(shù)合作伙伴關(guān)系提供支持，兩國民間企業(yè)也將在設(shè)計和量產(chǎn)方面進行研究。

報道顯示，日本希望通過在本土生產(chǎn)的新一代半導(dǎo)體，來確保穩(wěn)定供應(yīng)。為此，日本和美國企業(yè)有望聯(lián)合成立新公司，或者日本企業(yè)可以建立一個新的制造中心，而日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省也將補貼部分研發(fā)費用與資本支出，預(yù)計這一計劃在2025-2027年完成。

同時報道還指出，兩國正專注于研發(fā)媲美2nm微型化工藝的先進半導(dǎo)體，該技術(shù)將直接生產(chǎn)安裝在量子計算機、數(shù)據(jù)中心和最新智能手機中的核心部件。甚至先進的半導(dǎo)體還將加強日本的安全系統(tǒng)，因為這決定了戰(zhàn)斗機與導(dǎo)彈等武器的性能。

目前，日本先進工業(yè)科學(xué)技術(shù)公司正在與東京電子、佳能等設(shè)備公司開發(fā)包括2nm在內(nèi)的先進線制造技術(shù)，而去年便成功測試2nm的IBM和進行2nm研發(fā)的英特爾正在參與該項目，這些公司都極有可能被列入美日聯(lián)合開發(fā)項目中來。

有意思的是，不管是臺積電、三星還是美日聯(lián)合公司，都將實現(xiàn)2nm制程的時間節(jié)點放在了2025年，比較意外的是美日方面是如何能夠做到2nm制程的。要知道此前即便是英特爾，也只是長期耕耘10nm，如今短短5年便直接跑向2nm，進度驚人。

或許是因為這一原因，近日臺積電拒絕了歐盟的邀請。有國外媒體報道，在歐盟鼓勵臺灣企業(yè)在歐洲生產(chǎn)芯片之際，臺積電董事長劉德音針對海外布局給出回應(yīng)稱，公司目前還沒有在歐洲建廠的具體計劃。

寫在最后

如今臺積電與三星奮力向2nm制程發(fā)起沖擊，挑戰(zhàn)人類技術(shù)的極限，但可能最后的贏家卻不是他們。隨著美日開始入局先進制程領(lǐng)域，依靠自身雄厚的資本以及先進的原材料與設(shè)備，極有可能在幾年時間內(nèi)便實現(xiàn)2nm的量產(chǎn)，與臺積電、三星處于同一起跑線。

按照美國一切以自身利益為優(yōu)先的性格，一旦有了本土的先進工藝制造產(chǎn)線，對于臺積電與三星的訂單也將造成一定的擠壓。當(dāng)然，即便沒有了美國與日本市場，但中國仍然是一個開放且最合適的合作伙伴，目前距離2025年還有一段時間，或許三星與臺積電可以再思考下未來的發(fā)展方向。