半導(dǎo)體制程不斷微縮，面臨物理極限，全球2nm先進(jìn)制程戰(zhàn)爭(zhēng)已全面開啟。繼臺(tái)積電、三星、IBM加碼2nm后，日本新成立芯片公司Rapidus，并曾表示最早在2025年在日本建立2nm半導(dǎo)體制造基地。作為曾經(jīng)在芯片制造領(lǐng)域稱霸一時(shí)的英特爾，雖錯(cuò)過了10nm和7nm的商機(jī)，但在最近的Q3財(cái)報(bào)中公布英特爾20A第一批內(nèi)部測(cè)試芯片已流片。

摩爾定律日漸放緩，2nm將是先進(jìn)制程的極限嗎？2nm之爭(zhēng)為何如此重要？英特爾將能通過“Intel 20A”工藝搶占先機(jī)嗎？

摩爾定律放緩，2nm是目前競(jìng)逐的目標(biāo)

在集成電路光刻技術(shù)的發(fā)展階段，受到的主要是光的波長(zhǎng)限制。所以科學(xué)家們所做的工作主要是不斷降低用于曝光的光線波長(zhǎng)以此來不斷提高光刻分辨率。隨著分辨率變高，同樣大小的硅晶圓上，可以生產(chǎn)更多的芯片。

21世紀(jì)以來，可量產(chǎn)的芯片制程從130nm發(fā)展到了如今的3nm。2015年半導(dǎo)體進(jìn)入了14nm時(shí)代，是芯片制程發(fā)展的一個(gè)分水嶺。2017年，芯片制程步入10nm時(shí)代，而英特爾停在了10nm，i5和i7處理器由于良率問題而遲遲無法交貨。2018年，7nm來臨，英特爾至今無法突破。反觀其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電，3nm制程已于2021年風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)。

而2nm作為3nm之后的下一個(gè)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，對(duì)于目前技術(shù)的革新十分關(guān)鍵。

TrendForce分析師喬安表示，半導(dǎo)體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構(gòu)的改變、新興材料的應(yīng)用、亦或是封裝技術(shù)的演進(jìn)都會(huì)是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。而業(yè)界認(rèn)為，在新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和新材料的引入上，2nm有望成為新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在晶體管結(jié)構(gòu)上，根據(jù)國(guó)際器件和系統(tǒng)路線圖的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式柵極（Gate-All-Around FET，以下簡(jiǎn)稱“GAA”）結(jié)構(gòu)所取代。相比于FinFET，GAA結(jié)構(gòu)可以更為精確地減少漏電損耗，降低功耗。

2nm發(fā)展已是大勢(shì)所趨，臺(tái)積電、三星以及英特爾紛紛布局2nm賽道，希望占據(jù)先進(jìn)制程的“制高點(diǎn)”。

群雄競(jìng)逐2nm，頭部廠商各顯神通

臺(tái)積電一馬當(dāng)先啟動(dòng)2nm研發(fā)

在2019年，臺(tái)積電便宣布啟動(dòng)2nm工藝的研發(fā)。今年7月份，臺(tái)積電曾宣布將花費(fèi)1萬億元新臺(tái)幣（約合人民幣 2290億元）擴(kuò)大2nm產(chǎn)能布局，并在2024年試產(chǎn)，2025年開始量產(chǎn)。臺(tái)積電表示，2nm芯片比3nm的運(yùn)算速度快10%至15%，省電達(dá)25%至30%。

有業(yè)界消息表示，臺(tái)積電在2nm先進(jìn)制程研發(fā)上取得重大突破，已成功找到路徑，將切入GAA技術(shù)。另外，業(yè)內(nèi)人士指出，臺(tái)積電位于新竹科學(xué)園區(qū)寶山園區(qū)的2nm芯片廠，該工廠于2022年年中剛剛獲得土地，即將開始地面工程，但該廠將于2025年開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

TrendForce數(shù)據(jù)顯示，目前臺(tái)積電的代工市場(chǎng)份額接近52.9%。臺(tái)積電在先進(jìn)制程上一直處于領(lǐng)先地位，其于2018年推出7nm，2020年推出5nm，今年3nm也即將量產(chǎn)，因此有望在2025年率先實(shí)現(xiàn)2nm量產(chǎn)。

三星最先采用GAA結(jié)構(gòu)

三星方面，根據(jù)計(jì)劃，2nm工藝上將采用GAA結(jié)構(gòu)，以取代目前主流的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)。但在今年6月份，三星方面官方宣布，基于GAA結(jié)構(gòu)的3nm制程芯片已開始初步生產(chǎn)。在今年上半年試產(chǎn)使用GAA結(jié)構(gòu)的新工藝后，三星計(jì)劃在2023年將其引入第二代3nm芯片中，并在2025年量產(chǎn)基于GAA結(jié)構(gòu)的2nm芯片。三星在3nm就已經(jīng)走過了GAA的學(xué)習(xí)曲線，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

在投入力度上，三星也可謂一擲千金。財(cái)報(bào)顯示，雖然2021年三星電子在半導(dǎo)體領(lǐng)域投資約337億美元，與臺(tái)積電約300億美元投入相當(dāng)，但在未來五年，三星則宣布將投資3600億美元用于半導(dǎo)體先進(jìn)制程，年均超700億美元。

IBM搶跑2nm制造工藝

IBM是先進(jìn)工藝研發(fā)的佼佼者，它曾率先推出7nm、5nm乃至2nm工藝。2021年5月，IBM發(fā)布了全球首個(gè)2nm制造工藝，可用于5G、量子計(jì)算和數(shù)據(jù)中心，并在美國(guó)紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2nm工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。

據(jù)外媒此前報(bào)道，IBM已與三星、英特爾簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。不過，該技術(shù)目前仍處在概念驗(yàn)證階段，可能還需幾年才能投入市場(chǎng)。

日企聯(lián)合開發(fā)2nm

近日，包括豐田汽車和索尼集團(tuán)在內(nèi)的八家日本公司合作成立了一家芯片公司Rapidus，目標(biāo)是在2030年前開發(fā)和生產(chǎn)2nm及以下半導(dǎo)體，日本政府將向Rapidus投資700億日元（約4.93億美元）加入八家企業(yè)支持者行列。

據(jù)外媒消息，IBM將和Rapidus合作開發(fā)2nm芯片。該協(xié)議是日本斥資數(shù)十億美元重振其萎靡不振的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、減少對(duì)中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)芯片生產(chǎn)的依賴并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)安全的一部分。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣西村康稔近日在新聞發(fā)布會(huì)上表示：“我們希望通過與美國(guó)和其他國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)合作，加強(qiáng)日本半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和競(jìng)爭(zhēng)力”。

2nm之戰(zhàn)，英特爾能否搶占先機(jī)？

作為曾經(jīng)的芯片制造巨頭英特爾，在10nm及7nm上被臺(tái)積電、三星拉開差距后，也在積極探索2nm及更先進(jìn)制程，目標(biāo)是到2030年成為全球第二大代工廠。

自2021年提出IDM 2.0戰(zhàn)略后，英特爾瞄準(zhǔn)了從7nm至1.8nm的多代制程研發(fā)計(jì)劃，計(jì)劃一年一代推進(jìn)，其中2024年將量產(chǎn)2nm制程，2025年量產(chǎn)1.8nm制程。

根據(jù)去年公布的計(jì)劃，英特爾將在美國(guó)亞利桑那州投資約200億美元，新建兩座晶圓制造工廠。而進(jìn)入2022年以來，英特爾還宣布新增200億美元在俄亥俄州再建兩座新晶圓廠，并計(jì)劃于2025年投產(chǎn)。英特爾除了在美國(guó)亞利桑那州、俄亥俄州和新墨西哥州等地大力投資芯片制造設(shè)施外，還在2月份收購(gòu)了以色列代工廠Tower Semiconductor。在全球范圍內(nèi)，將對(duì)愛爾蘭和德國(guó)的晶圓廠進(jìn)行投資，同時(shí)保留Tower在日本的分公司。

英特爾2022年第三季度財(cái)報(bào)顯示，更先進(jìn)的Intel 18A/20A目前進(jìn)展順利，這些新的制程節(jié)點(diǎn)將受益于RibbonFET和PowerVia兩大突破性技術(shù)。第一批內(nèi)部芯片已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試，另外還有一個(gè)潛在的外部客戶，其下一代產(chǎn)品已在Intel 18A工藝上流片。英特爾此次公布的Intel 20A進(jìn)展，無疑是英特爾在芯片制造領(lǐng)域的付出的結(jié)果顯現(xiàn)。雖然只是“內(nèi)部測(cè)試芯片已流片”，但相較臺(tái)積電和三星的2nm工藝進(jìn)展還是比較快的。若英特爾、三星、臺(tái)積電的2nm工藝都如期發(fā)布，那么Intel 20A就是“王炸”，英特爾的工藝將會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保持“世界第一”的位置。

但是，芯片市場(chǎng)的反饋往往需要一個(gè)較長(zhǎng)周期，英特爾此前被臺(tái)積電、三星拉開差距后，尋回客戶的信任也需要較長(zhǎng)時(shí)間。作為芯片制造商和設(shè)計(jì)者的雙重角色，英特爾很難說服英偉達(dá)、AMD、蘋果和高通向英特爾代工服務(wù)（IFA）下大單，因此英特爾在代工領(lǐng)域趕超三星，也將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，讓我們拭目以待。