近日，全球知名半導(dǎo)體公司臺積電官宣：正式啟動2nm工藝的研發(fā)，工廠設(shè)置在位于***新竹的南方科技園，預(yù)計2024年投入生產(chǎn)。

7nm，5nm，3nm，現(xiàn)在終于開始進(jìn)入2nm了！

幾十年來，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的背后存在著一條金科玉律，即摩爾定律。摩爾定律表明：每隔 18~24 個月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。

然而，在摩爾定律放緩甚至失效的今天，全球幾大半導(dǎo)體公司依舊在拼命“廝殺”，希望率先拿下制造工藝布局的制高點。英特爾終于進(jìn)入 10nm 工藝時代并將在后年轉(zhuǎn)入 7nm，臺積電、三星則紛紛完成了 7nm 工藝的布局并奔向 5nm、3nm。

而就在近日，臺積電官方宣布：正式啟動2nm工藝的研發(fā)！

據(jù)官方宣布，工廠將落腳在中國***新竹的南方科技園，預(yù)計研發(fā)工作將于2024年完成并投入生產(chǎn)。

臺積電：全球第一家官宣2nm工藝

從2018年末到2019年，隨著7nm制程工藝逐漸進(jìn)入消費領(lǐng)域，臺積電和三星都已經(jīng)談到了他們對5nm和3nm工藝節(jié)點的計劃。

而根據(jù)近期的消息，臺積電有了更多的運作計劃，將工藝推進(jìn)到3nm，甚至2nm！臺積電也是全球第一個宣布開始研發(fā)2nm工藝的廠商。

臺積電廠務(wù)處處長莊子壽表示：

臺積電在***的第一家3nm工廠將于2021年投產(chǎn)，并將于2022年實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

與此同時，為了對抗三星的競爭，臺積電正在推進(jìn)2nm制程的研發(fā)和生產(chǎn)計劃。

而就在幾天前，臺積電在***新竹的3納米研發(fā)廠房順利通過環(huán)評，預(yù)計可順利趕上量產(chǎn)時程。臺積電也透露預(yù)計把五年后的 2 奈米廠研發(fā)及量產(chǎn)都放在新竹，選址部分原因是為避免人才流失，目前臺積電在新竹有約7000名半導(dǎo)體制程研發(fā)人才。

按照臺積電給出的指標(biāo)顯示，2nm工藝是一個重要節(jié)點，Metal Track（金屬單元高度）和3nm一樣維持在5x，同時Gate Pitch（晶體管柵極間距）縮小到30nm，Metal Pitch（金屬間距）縮小到20nm，相比于3nm都小了23%。

臺積電沒有透露2nm工藝所需要的技術(shù)和材料，看晶體管結(jié)構(gòu)示意圖和目前并沒有明顯變化，能在硅半導(dǎo)體工藝上繼續(xù)壓榨到如此地步真是堪稱奇跡，接下來就看能不能做到1nm了。

當(dāng)然，在那之前，臺積電還要接連經(jīng)歷7nm、6nm、5nm、3nm等多個工藝節(jié)點。

其中，7nm+首次引入 EUV 極紫外光刻技術(shù)，目前已經(jīng)投入量產(chǎn)；6nm只是 7nm 的一個升級版，明年第一季度試產(chǎn)；5nm全面導(dǎo)入極紫外光刻，已經(jīng)開始風(fēng)險性試產(chǎn)，明年底之前量產(chǎn)，蘋果 A14、AMD 五代銳龍 (Zen 4 都有望采納)；3nm 有望在 2021 年試產(chǎn)、2022 年量產(chǎn)。

全球主流半導(dǎo)體公司工藝水平大比拼

接下來，對不同芯片生產(chǎn)商的制造技術(shù)進(jìn)行了一個排名，如下表所示，可以較為便捷地了解哪種工藝更為先進(jìn)。表中密度以MTr/mm2計算，其代表每平方毫米數(shù)百萬個晶體管。截至2019年1月，英特爾的10nm技術(shù)依然領(lǐng)先于臺積電和三星的7nm技術(shù)。

來源：根據(jù)公開數(shù)量整理

有一點需要注意，上述數(shù)字在某些情況下是近似的。但是，這不會影響排名。如果更深入地研究這個問題，英特爾的10nm比臺積電7nm的SRAM稍微密集一些。但臺積電的7nm實際上比英特爾的邏輯單元更密集，這使事情變得更加復(fù)雜，卻很有意思。

由于英特爾的10nm還沒有大規(guī)模生產(chǎn)，臺積電的7nm是目前市場上明顯的贏家。

接下來，對比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特爾等不同制造商的不同工藝節(jié)點都有什么特點。

臺積電

臺積電是目前世界上最大的獨立半導(dǎo)體代工制造商。臺積電與世界上一些最大的芯片設(shè)計商合作，如Nvidia，AMD，高通，蘋果，華為和聯(lián)發(fā)科。截至2019年1月，臺積電憑借其7nm制造工藝引領(lǐng)新一代的高端技術(shù)競爭，該工藝已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，iPhone XS和華為Mate 20 Pro等頂級手機品牌都采用了這一技術(shù)。

7nm

首先，讓我們看看最近一年來炒作最火熱的臺積電7nm工藝。TSMC的7nm工藝實際上有多種變體，7nm FF/FF+（FinFET和FinFET+）的晶體管密度約為96.49 MTr/mm?，7nm HPC的晶體管密度為66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工藝是TSMC自身10nm工藝密度的1.6倍。此外，與10nm技術(shù)相比，7nm工藝可使性能提高20％，功耗降低40％。

目前該技術(shù)主要用于：A12 Bionic（iPhone XS Max），Snapdragon 855，Kirin 980，Zen 2（Ryzen 3000 Series）。

10nm

臺積電的10nm節(jié)點工藝的密度為60.3 MTr/mm?，是自身12nm/16nm節(jié)點密度的2倍多，速度提高了15％，功耗降低了35％。

目前該技術(shù)主要用于：Apple A11 Bionic，Kirin 970，Helio X3。

12nm/16nm

與20nm工藝相比，臺積電16nm的速度提高近50％，功耗降低60％，其密度為28.2 MTr/mm2。

臺積電的12nm技術(shù)或多或少是一種營銷噱頭，類似于他們的16nm節(jié)點。這個12nm節(jié)點只是它們重新命名的16nm工藝，具有更好的柵極密度和較少的優(yōu)化。12nm工藝的估計密度約為33.8 MTr/mm?。臺積電的12nm和16nm工藝為麒麟、聯(lián)發(fā)科處理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服務(wù)。

主要用于：Nvidia圖靈GPU（GeForce 20系列），麒麟960，麒麟659，麒麟710，Helio P60，Helio P70，Apple A10 Fusion處理器。

英特爾

英特爾是全球第二大芯片制造商。曾幾何時，英特爾在半導(dǎo)體市場處于絕對的領(lǐng)先地位，但其10nm工藝的一再延遲使其在高端技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)落后。

7nm

2018年12月，英特爾宣布他們正在開發(fā)7nm工藝，并且正在按計劃進(jìn)行。英特爾7nm工藝將使用EUVL（極紫外光刻）制造，預(yù)計晶體管密度將達(dá)到242 MTr /mm?，是10nm工藝 的2.4倍。

現(xiàn)狀：正在進(jìn)行中。

10nm

英特爾的10nm工藝最初預(yù)計將于2016年首次推出，但截至2018年底，它已被推遲3次！

英特爾10nm工藝密度約為100 MTr /mm?，是14nm工藝的2.7倍。從這一點看，英特爾的10nm相當(dāng)于其他公司所標(biāo)榜的7nm技術(shù)。

現(xiàn)狀：英特爾正在努力提高良率，可能在2019年末進(jìn)入批量生產(chǎn)。

用于：Core i3-8121U處理器。

14nm

英特爾的14nm工藝晶體管密度估計為43.5 MTr/mm?。截至目前，從Broadwell到Coffee Lake，都擁有相同的14nm技術(shù)，已用于其5代處理器之中。然而，這款14nm技術(shù)仍然優(yōu)于臺積電的16nm/12nm和三星的14nm技術(shù)。

英特爾還推出了14nm+和14nm++，只是進(jìn)行了微小的改進(jìn)。

主要用于：英特爾的第5代，第6代，第7代，第8代和第9代移動和桌面處理器。

由于10nm節(jié)點的延遲，英特爾簡單地改進(jìn)了他們的14nm節(jié)點，在性能和功耗方面略有改進(jìn)，并將它們命名為14nm +和14nm ++。這些只是微小的改進(jìn)，并沒有進(jìn)行晶體管密度微縮。

三星

2017年7月，三星取代英特爾成為全球最大的芯片制造商。對于幾乎相同的工藝節(jié)點，三星芯片的晶體管密度與TSMC相當(dāng)。三星為高通、蘋果、Nvidia和許多其他廠商生產(chǎn)芯片，并且還將其14nm工藝許可給GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技術(shù)生產(chǎn)了7nm芯片，工藝密度為95.3 MTr/mm?。相比10nm技術(shù)，性能提高了20％，同時功耗降低了50％。

現(xiàn)狀：已進(jìn)入批量生產(chǎn)。

8nm

三星的8nm工藝也稱為8nm LPU（Low Power Ultimate），它只是其10nm工藝的延伸。就晶體管密度而言，它與臺積電的7nm HPC工藝非常相似，其密度為61.18 MTr/mm?。該技術(shù)用于制造Exynos 9820芯片，將在2019年即將推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用于：Exynos 9820處理器。

10nm

三星10nm工藝有兩種變體，10nm LPE（Low Power Early）和10nm LPP（Low Power Plus）。其第二代工藝（10nm LPP）性能提高了10％，密度為51.82 MTr /mm?，是14nm工藝密度的1.6倍。

適用于：Snapdragon 835，Snapdragon 845，Exynos 9810，Exynos 8895，Exynos 961。

11nm

與14nm LPP（Low Power Plus）工藝相比，11nm LPP（Low Power Plus）工藝可提供高出15％的性能。但是，功耗保持不變，這個過程更像是對14nm工藝的擴展。

用于：Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工藝是其最廣泛使用的制造節(jié)點之一，該工藝的晶體管密度為32.5 MTr /mm?，主要用于Nvidia的GeForce 10系列，以及許多Qualcomm和Exynos芯片。它有多種變體，14nm LPE（Low Power Early）和14nm LPP（Low Power Plus）。

用于：Nvidia GeForce 10系列，Snapdragon 820，Snapdragon 821，Exynos 8890，Exynos 7870。

GlobalFoundries

GlobalFoundries（格羅方德，格芯）是一家美國半導(dǎo)體公司，為高通、AMD和Broadcom等各種品牌制造處理器。

7nm

此前，得益于三星背后的支持，GlobalFoundries的7nm走在前列，而且2018年3月還邀請少數(shù)資深記者前往旗下最先進(jìn)的紐約Malta的Fab 8工廠，介紹他們計劃向7nm EUV光刻技術(shù)推進(jìn)。然而，計劃趕不上變化。18年8月宣布，出于經(jīng)濟因素考慮，擱置7nm LP項目，將資源回歸到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

盡管曾有許多業(yè)內(nèi)專家估計它的7nm技術(shù)比臺積電的7nm還要更加密集，但GlobalFoundries目前已經(jīng)停止了他們的7nm開發(fā)，已經(jīng)不會再與臺積電競爭。按照AnandTech的報道，GF的5nm和3nm研發(fā)也將終止，已經(jīng)逐步停掉與IBM硅研發(fā)中心在這方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工藝的性能比其前代產(chǎn)品提高了15％，密度提高了10％。Ryzen 2000系列便基于其12nm節(jié)點技術(shù)。當(dāng)前，GF的12nm/14nm多用在AMD的銳龍?zhí)幚砥鳎≧yzen 2000 Series）、Radeon GPU上，12FDX/22FDX則可以提供優(yōu)質(zhì)的性價，可用于集成模擬和射頻組件上，如5G基帶。

用于：Zen +架構(gòu)產(chǎn)品（Ryzen 2000 Series）。

14nm

GlobalFoundries實際上從三星那里獲得了14nm技術(shù)。

用于：AMD Vega系列，Ryzen第二代APU，Radeon 500系列。

目前，GlobalFoundries已經(jīng)停止一切與7nm工藝有關(guān)的投資研發(fā)，轉(zhuǎn)而專注現(xiàn)有的14/12nm FinFET工藝和22/12nm FD-SOI工藝，提供包括射頻、嵌入式存儲器和低功耗等一系列創(chuàng)新IP及功能，并調(diào)整相應(yīng)研發(fā)團(tuán)隊來支持新的產(chǎn)品組合方案，這一選擇可能和最近幾年窘迫的財務(wù)狀況有關(guān)。

中芯國際

據(jù)最近報道，中芯國際在14nm FinFET技術(shù)開發(fā)上已經(jīng)獲得重大進(jìn)展，良率已高達(dá)95％，其第一代FinFET技術(shù)研發(fā)已進(jìn)入客戶導(dǎo)入階段，并且將在今年上半年投入大規(guī)模量產(chǎn)。

同時，12nm的工藝開發(fā)也取得突破。中芯國際的14nm/12nm進(jìn)展，對于中國集成電路產(chǎn)業(yè)來說是一個極大利好，但是與全球的先進(jìn)技術(shù)相比，中國還比較落后，還需要整個產(chǎn)業(yè)共同努力，以便早日在世界高端芯片制造領(lǐng)域占據(jù)一席之地。