在芯片制造領(lǐng)域，3nm方興未艾，圍繞著2nm的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)全面打響。

根據(jù)臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)日前的新聞報(bào)道，臺(tái)積電已經(jīng)在本月初已經(jīng)開(kāi)始了 2 納米工藝的預(yù)生產(chǎn)，而英偉達(dá)和蘋(píng)果將有望成為晶圓代工龍頭的首批客戶(hù)，這將給三星等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手帶來(lái)巨大壓力。在回應(yīng)該報(bào)道時(shí)，臺(tái)積電沒(méi)有評(píng)論具體細(xì)節(jié)，但表示2nm技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)展順利，目標(biāo)是在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

英特爾中國(guó)區(qū)總裁兼董事長(zhǎng)王銳在今年三月的一次活動(dòng)中表示，公司已完成intel 18A（1.8nm）和intel 20A（2nm） 制造工藝的開(kāi)發(fā)。其中，intel 20A計(jì)劃于 2024 年上半年投入使用，進(jìn)展良好的intel 18A制造技術(shù)也將提前到2024年下半年進(jìn)入大批量制造（HVM）。

與此同時(shí)，晶圓代工老二三星在今日舉辦的代工論壇論壇上也重申了公司將在2025年實(shí)現(xiàn)2nm生產(chǎn)。再加上日本新成立的 Rapidus也想在2025年量產(chǎn)2nm。一場(chǎng)在2025年將進(jìn)入白熱化的戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)全面打響。

三星密謀已久

這不是三星首次披露其2nm的計(jì)劃，其實(shí)針對(duì)這個(gè)被廣泛看好的“大節(jié)點(diǎn)”，這家韓國(guó)巨頭密謀已久，他們?cè)谶@次代工論壇上也帶來(lái)了更多的消息。

據(jù)semiwiki報(bào)道，與英特爾一樣，三星自己的芯片也是自己的代工客戶(hù)，因此他們?cè)?nm上首先生產(chǎn)的是內(nèi)部產(chǎn)品，而不是外部代工客戶(hù)。這當(dāng)然是 IDM 代工廠(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以結(jié)合工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)自己的芯片。三星擁有開(kāi)發(fā)領(lǐng)先內(nèi)存的額外優(yōu)勢(shì)。

報(bào)道指出，三星將于 2025 年開(kāi)始量產(chǎn)用于移動(dòng)應(yīng)用的 2nm 工藝，然后于 2026 年擴(kuò)展到具有背面供電的 HPC，并于 2027 年擴(kuò)展到汽車(chē)領(lǐng)域。與 3nm 工藝 (SF3) 相比，三星的 2nm (SF2) 工藝已顯示出性能提升 12%，功率效率提高提升 25%，面積減少 5%。

按照三星的規(guī)劃，其GAA MBCFET無(wú)疑是2nm工藝的最大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)所在，在上個(gè)月的時(shí)候，他們就公布了公司在3nm GAA MBCFET技術(shù)的最新進(jìn)展，這將給他們的2nm提供參考。

三星表示，與 FinFET 相比，MBCFET 提供了卓越的設(shè)計(jì)靈活性。晶體管被設(shè)計(jì)成有不同量的電流流過(guò)它們。在使用許多晶體管的半導(dǎo)體中，必須調(diào)節(jié)電流量，以便在所需的時(shí)序和控制邏輯下打開(kāi)和關(guān)閉晶體管，這需要增加或減少溝道的寬度。

而在傳統(tǒng)的FinFET結(jié)構(gòu)中，柵極所包裹的鰭片（Fin）的高度是不可調(diào)節(jié)的，因此為了增加整體溝道寬度，需要水平地增加鰭片的數(shù)量。但這種方法只能調(diào)節(jié)不連續(xù)的溝道寬度，因?yàn)楫?dāng)柵包圍文件的溝道寬度為α?xí)r，也只能減小或增大α的倍數(shù)。這是一個(gè)嚴(yán)重的限制。

另一方面，MBCFET 彼此堆疊在一起，鰭片側(cè)向放置，納米片的寬度可以調(diào)整，以提供比 FinFET 更多的溝道寬度選項(xiàng)，這是一個(gè)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有用的功能，這在模擬 SRAM 中具有顯著的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)。

”MBCFET 具有這些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)允許獨(dú)立微調(diào)晶體管的溝道寬度，以便在 P 型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管 (PMOS) 和 N 型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（NMOS）之間找到最佳平衡”，三星強(qiáng)調(diào)。

而在MBCFET 通過(guò)調(diào)整納米片寬度，為 SRAM 單元設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。左上圖顯示了具有六個(gè)晶體管的基本 SRAM 位單元。中間圖像顯示了該位單元的圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng) (GDS) 視圖。

在圖(a)中，在GAA結(jié)構(gòu)中，NMOS下拉(PD)和傳輸門(mén)(PG)具有相同的溝道寬度，而PMOS上拉(PU)具有較小的溝道寬度。(WPD = WPG > WPU ) 在這種情況下，從右圖可以看出，MBCFET 可以比 FinFET 獲得更好的裕度。

在圖(b)中，當(dāng)PD和PG之間的溝道寬度變化時(shí)，它們是NMOS(W PD > WPG > WPU ），裕度高于（a）。通過(guò)根據(jù)晶體管的作用和特性調(diào)整溝道寬度，實(shí)現(xiàn)最佳平衡，并確保裕度。由于 GAA SRAM 位單元比 FinFET 需要更少的功率，并且由于每個(gè)晶體管的 GAA 寬度可以獨(dú)立調(diào)整，因此 PPA 和 SRAM 之間的平衡得到改善，從而大大提高了 SRAM 的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。

除了晶體管外，背面供電技術(shù)也是三星2nm的一個(gè)殺手锏。

三星研究員Park Byung-jae表示，在代工市場(chǎng)，技術(shù)正在從高 k 金屬柵極平面 FET 發(fā)展到 FinFET、MBCFET，以及現(xiàn)在的 BSPDN。

據(jù)介紹，BSPDN與前端供電網(wǎng)絡(luò)不同，它主要使用后端；正面將具有邏輯功能，而背面將用于供電或信號(hào)路由。據(jù)他們?cè)谝黄撐闹信叮瑢⒐╇娋W(wǎng)絡(luò)等功能移至芯片背面，以解決使用2nm工藝造成的布線(xiàn)擁塞問(wèn)題。據(jù)稱(chēng)，與 FSPDN 相比，BSPDN 的性能提高了 44%，能效提高了 30%。

在公布2nm規(guī)劃的同時(shí)，三星強(qiáng)調(diào)，公司的1.4nm工藝預(yù)計(jì)于 2027 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。與此同時(shí)，三星代工廠(chǎng)繼續(xù)致力于投資和建設(shè)產(chǎn)能，在韓國(guó)平澤和德克薩斯州泰勒增設(shè)新生產(chǎn)線(xiàn)。目前的擴(kuò)張計(jì)劃將使公司的潔凈室產(chǎn)能到 2027 年比 2021 年增加 7.3 倍。

臺(tái)積電不甘人后

在大家都在圍繞著2nm傾囊而出的時(shí)候，臺(tái)積電也不甘人后。

臺(tái)積電在去年的代工技術(shù)研討會(huì)上就披露了其下一代 N2 2nm 節(jié)點(diǎn)的早期細(xì)節(jié)，包括將改用納米片晶體管架構(gòu)，其中幾個(gè)堆疊的硅層完全被晶體管柵極材料包圍，而不是當(dāng)前的 FinFET 設(shè)計(jì)，與當(dāng)前 FinFET 晶體管相比，GAAFET 的優(yōu)勢(shì)包括降低漏電流（因?yàn)闁艠O位于溝道的所有四個(gè)側(cè)面），以及調(diào)整溝道寬度以獲得更高性能或更低功耗的能力。

早前舉辦的研討會(huì)上，臺(tái)積電進(jìn)一步公布了2nm的更多消息。

他們表示，公司在 N2 硅的良率和性能方面都取得了“扎實(shí)的進(jìn)展”，預(yù)計(jì)其密度將比今年進(jìn)入量產(chǎn)的增強(qiáng)型 N3E 節(jié)點(diǎn)提高 1.15 倍以上。預(yù)計(jì) 2025 年投入生產(chǎn)時(shí)，在相同功率下，它的速度將比 N3E 提高 15%，或者在相同速度下，功耗最多可降低 30%。

臺(tái)積電還表示，在進(jìn)入 HVM 兩年前，其 Nanosheet GAA 晶體管性能已達(dá)到目標(biāo)規(guī)格的 80% 以上，256Mb SRAM 測(cè)試 IC 的平均良率超過(guò) 50%。臺(tái)積電更是在一份聲明中寫(xiě)道：“臺(tái)積電納米片技術(shù)展示了出色的功效和較低的 Vmin，最適合節(jié)能計(jì)算范例?！?/p>

和三星一樣，臺(tái)積電也有一個(gè)N2P節(jié)點(diǎn)，這將在2026年某個(gè)日子推出。同時(shí)，在這個(gè)工藝上，臺(tái)積電也將引入背面供電技術(shù)。目前，臺(tái)積電尚未透露關(guān)于背面供電的更多信息，有關(guān) N2P 相對(duì)于 N2 的性能、功耗和面積 (PPA) 優(yōu)勢(shì)的任何硬數(shù)據(jù)，臺(tái)積電也還沒(méi)公布。但根據(jù)anandtech從行業(yè)消息來(lái)源了解到的情況，僅背面電源供電就可以帶來(lái)個(gè)位數(shù)的功率改進(jìn)和兩位數(shù)的晶體管密度改進(jìn)。

臺(tái)積電還表示，N2P 有望在 2026 年投入生產(chǎn)，因此我們可以推測(cè)第一批基于 N2P 的芯片將于 2027 年上市。

除了可能成為臺(tái)積電 2nm 代工藝主力的 N2P 之外，臺(tái)積電還在準(zhǔn)備 N2X。這將是專(zhuān)為高性能計(jì)算 (HPC) 應(yīng)用（例如需要更高電壓和時(shí)鐘的高端 CPU）量身定制的制造工藝。代工廠(chǎng)并未概述該節(jié)點(diǎn)與 N2、N2P 和 N3X 相比的具體優(yōu)勢(shì)，但與所有性能增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)一樣，實(shí)際優(yōu)勢(shì)預(yù)計(jì)將在很大程度上取決于設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO) 的實(shí)施程度。

對(duì)于臺(tái)積電2nm，近來(lái)還有消息透露，他們這個(gè)節(jié)點(diǎn)的單片晶圓定價(jià)逼近25000美元，相?屆時(shí)的3 納米晶圓代?報(bào)價(jià)的18,445 美元大幅上漲。這對(duì)于Fabless來(lái)說(shuō)無(wú)疑是另一個(gè)挑戰(zhàn)?；仡欉^(guò)去，臺(tái)積電加?每? 90 納米制程晶圓所消耗的成本為411 美元，?加?每? 5 納米制程晶圓所消耗的成本已經(jīng)上升到了4,235 美元，相較加?每? 7 納米制程晶圓所消耗的成本2,330 美元，也增加了81.8%。

由此看來(lái)，臺(tái)積電晶圓代?報(bào)價(jià)的上漲幅度，其與加?成本的上漲幅度是相接近的。

英特爾寄以厚望

在制造工藝上落后許久的英特爾在最近對(duì)其晶圓代工業(yè)務(wù)進(jìn)行了調(diào)整，向著下一步拆分做好準(zhǔn)備。與此同時(shí)，他們還對(duì)2nm（Intel 20A）工藝寄以厚望，他們希望在這個(gè)工藝上追平三星和臺(tái)積電等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。英特爾聲稱(chēng)，如果正確執(zhí)行 IFS 和 IDM 2.0 路線(xiàn)圖，Intel 18A 代工節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在技術(shù)上和上市時(shí)間上擊敗臺(tái)積電 2 納米級(jí)節(jié)點(diǎn)。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，Intel 20A及intel 18A不僅是他們首批進(jìn)入埃米節(jié)點(diǎn)的工藝，在其上還會(huì)首發(fā)兩大突破性技術(shù)，也就是RibbonFET和PowerVia，其中RibbonFET是Intel對(duì)Gate All Around晶體管的實(shí)現(xiàn)，它將成為公司自2011年率先推出FinFET以來(lái)的首個(gè)全新晶體管架構(gòu)。

英特爾過(guò)去多年來(lái)一直在技術(shù)半導(dǎo)體會(huì)議上討論 GAAFET，在 2020 年 6 月的國(guó)際 VLSI 會(huì)議上，時(shí)任首席技術(shù)官 Mike Mayberry 博士展示了轉(zhuǎn)向 GAA 設(shè)計(jì)后增強(qiáng)靜電的圖表。當(dāng)時(shí)我們?cè)儐?wèn)英特爾批量實(shí)施 GAA 的時(shí)間表，并被告知預(yù)計(jì)將在“5 年內(nèi)”實(shí)現(xiàn)。目前，英特爾的 RibbonFET 將采用 20A 工藝，根據(jù)上述路線(xiàn)圖，可能會(huì)在 2024 年底實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

anandtech在報(bào)道中指出，在英特爾將在RibbonFET中確實(shí)將使用 4 堆棧實(shí)施，因?yàn)樘砑拥亩褩Ｔ蕉?，制造所需的工藝?jié)點(diǎn)步驟就越多，引用英特爾的 Kelleher 博士的話(huà)：“刪除堆棧比添加堆棧更容易”。對(duì)于任何給定的進(jìn)程或功能來(lái)說(shuō)，確切的堆棧數(shù)量仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，但英特爾似乎更熱衷于四個(gè)。

值得一提的是，在早前舉辦的 ITF World上，英特爾還展示了全新堆疊式 CFET 晶體管設(shè)計(jì)——一個(gè)被業(yè)界看好的下一代 GAA設(shè)計(jì)。

從英特爾提供的圖像我們很好地觀(guān)察到——這種設(shè)計(jì)允許該公司堆疊八個(gè)納米片，使納米片的數(shù)量增加了一倍。四個(gè)與RibbonFET一起使用，從而增加晶體管密度。我們還在上面的相冊(cè)中提供了其他三種類(lèi)型的英特爾晶體管的圖像 - Planar FET、FinFET 和 RibbonFET。

如上所說(shuō)，背面供電，則是英特爾另一個(gè)在Intel 20A工藝上的另一重點(diǎn)技術(shù)。他們也在日前舉辦的VLSI大會(huì)上更新了這個(gè)技術(shù)的進(jìn)展。

按照英特爾所說(shuō)，遷移到 BS-PDN 最終有幾個(gè)好處。首先，這對(duì)簡(jiǎn)化芯片的構(gòu)造具有重要影響。我們稍后會(huì)講述英特爾的具體聲明和發(fā)現(xiàn)，但這里需要特別注意的是，它允許英特爾放寬其 M0 金屬層的密度。Intel 4 + PowerVia 的測(cè)試節(jié)點(diǎn)允許 36 nm 間距，而不是在 Intel 4 上要求 30 nm 間距。這直接簡(jiǎn)化了整個(gè)芯片最復(fù)雜和昂貴的處理步驟，將其回滾到更接近intel 7 工藝的尺寸。

BS-PDN 也準(zhǔn)備好為芯片提供一些適度的性能改進(jìn)。通過(guò)更直接的方式縮短晶體管的功率傳輸路徑有助于抵消 IR Droop 效應(yīng)，從而更好地向晶體管層傳輸功率。將所有這些電源線(xiàn)從信號(hào)層中取出也可以提高它們的性能，從而消除電源干擾并為芯片設(shè)計(jì)人員提供更多空間來(lái)優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。

在英特爾的方案中，首先，使用載體晶圓（carrier wafer ）作為其構(gòu)建過(guò)程的一部分，以提供芯片剛性。英特爾實(shí)施 BS-PDN 的另一個(gè)值得注意的細(xì)節(jié)是使用 TSV 進(jìn)行電源布線(xiàn)。在 PowerVia 中，芯片的晶體管層中有納米級(jí) TSV（恰如其分地命名為 Nano TSV）。這與行業(yè)先驅(qū) IMEC 一直在研究其 BS-PDN 的埋入式電源軌形成對(duì)比。

總而言之，雖然電源軌仍然需要向上和越過(guò)晶體管層來(lái)輸送電力，但使用 TSV 可以讓電力更直接地輸送到晶體管層。對(duì)于英特爾來(lái)說(shuō)，這是他們熱衷于利用的一項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗苊饬吮仨氃O(shè)計(jì)和內(nèi)置埋入式電源軌所需的路由。

日本Rapidus成為x因素

在大家都以為先進(jìn)制造格局已定的時(shí)候，日本Rapidus橫空出世。

由日本八家大企業(yè)支持成立、并獲政府注資的半導(dǎo)體公司Rapidus正在興建的首座晶圓廠(chǎng)就直攻2納米制程，背負(fù)著復(fù)興日本晶圓制造的重責(zé)大任。Rapidus會(huì)長(zhǎng)東哲郎上月接受受訪(fǎng)時(shí)表示，有信心讓公司在短時(shí)間內(nèi)就追上兩大晶圓大工業(yè)者臺(tái)積電與三星電子。

東哲郎說(shuō)：“領(lǐng)先他人且獨(dú)特，是賺取大量獲利的唯一地位；如果你做別人已經(jīng)在做的，你會(huì)讓自己變得廉價(jià)?！?/p>

東哲郎說(shuō)：“我對(duì)2納米與之后的1.4納米相當(dāng)有信心，不過(guò)1納米會(huì)是一大挑戰(zhàn)?！埂肝覀兣c材料和制造設(shè)備制造商密切合作，這些業(yè)者已與包括臺(tái)積電在內(nèi)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者合作先進(jìn)技術(shù)。我們的全球伙伴也承諾將全力支持提供技術(shù)和教育。”

Rapidus目前已與IBM、比利時(shí)微電子研究中心IMEC結(jié)盟，而且也獲得包括豐田、Sony和軟銀等日本大企業(yè)的支持，這讓他們的2nm給市場(chǎng)提供新變數(shù)。

審核編輯：劉清