1月13日，臺積電CEO魏哲家表示，2022年70%~80%的資本預算將用于2納米、3納米等先進工藝技術的研發(fā)。此前，老對手三星也表示將于2025年量產2納米。去年，英特爾調整了技術路線，大踏步向2納米進軍，而IBM展示的2納米工藝制程也著實讓人驚艷了一陣子。新年伊始， 2納米作為階段性制高點，吹響了芯片先進制程之戰(zhàn)的號角。
臺積電與三星的戰(zhàn)爭
目前，在先進工藝這一賽道上，玩家只剩下了臺積電、三星、英特爾和IBM。現(xiàn)在最先進的制程工藝當屬初露鋒芒的4納米了，而能達到此項工藝技術水平的，全球也只有臺積電和三星兩家。根據(jù)此前臺積電和三星放出的消息，2022年將成為3納米的誕生之年，并且都表現(xiàn)出了將在2025年量產2納米的決心。雖然3納米現(xiàn)在還沒被達到量產，但從幾大廠商在3納米上的研發(fā)進度就可初見端倪。
臺積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球曾公開表示，臺積電正在用新工藝證明了，摩爾定律仍在持續(xù)往前推進。作為先進工藝的推動者，臺積電2018年推出7納米，2020年推出5納米， 2022年將會如期推出3納米，而且2納米工藝也在順利研發(fā)。
據(jù)臺積電官方資料顯示，臺積電的3納米相比上一代的5納米工藝，在邏輯密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下功耗可降低25%~30%。臺積電將在2納米節(jié)點推出Nanosheet/Nanowire的晶體管架構并采用新的材料，在性能、功耗和密度也將進一步提升。
賽迪顧問集成電路產業(yè)研究中心高級分析師楊俊剛向《中國電子報》表示，臺積電將會在2納米芯片中采用GAAFET工藝，目前來看臺積電已經(jīng)試產了3納米芯片，預計今年將會量產，但是臺積電3納米的工藝現(xiàn)在還是采用FinFET工藝，從研發(fā)到生產上，F(xiàn)inFET轉到GAAFET還需要有一定的適應調節(jié)能力。
平面晶體管與FinFET以及GAA FET示意圖
資料來源：LamResearch
“從質量和產量兩方面考慮，臺積電無疑會率先推出2納米代工工藝，目前臺積電投資約300億美金的Fab20正在建設，預計2024開始運營，主要負責3/2/1納米先進工藝，2025年2納米將在這里最早實現(xiàn)量產。”芯謀研究高級分析師張彬磊篤定的向《中國電子報》記者表示。
三星作為臺積電最強有力的對手，近幾年的發(fā)展速度飛快，并且多次公開表示要在芯片加工領域與臺積電展開競爭，全球敢這么叫板臺積電的也就只有三星了。在IEDM 2021 國際電子元件大會上，三星更是攜手IBM宣布了一種名為垂直傳輸場效應晶體管 （VTFET） 的芯片設計技術，并表示該技術突破了目前1納米工藝設計的瓶頸。
2021年10月，三星宣布3納米芯片已經(jīng)開始成功流片，將于2022年上半年開始生產，2納米芯片將于2025年量產，并且3納米工藝就將會采用GAA工藝，2納米技術將會持續(xù)采用GAA工藝，在3納米進軍2納米工藝的技術節(jié)點上將會節(jié)省一些步驟。
TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工企業(yè)市場份額占比排名
盡管三星的進步很大，但與臺積電的差距仍然很大——市場研究公司TrendForce的報告中顯示，2021第三季，三星代工銷售額相較于第二季度增長11.0%至48.1億美元，市場份額卻從2020年的17.3%下降到17.1%。而臺積電第三季度占比53.1%，比第二季度的52.9% 增加了0.2個百分點。楊俊剛認為，原因在于臺積電在晶圓代工領域積累了豐富的客戶資源，包括蘋果、華為、高通、英偉達等。而且先進工藝技術快速且穩(wěn)定，對于蘋果、華為、高通等追求先進制程迭代速率較快的企業(yè)，產品更早進入市場，會為自身帶來一定的市場優(yōu)勢。產能方面，臺積電的晶圓代工產能領先三星于三倍之多，在產能使用和保障上，規(guī)模更大的廠商會更有優(yōu)勢。其次，臺積電屬于純晶圓代工廠，而三星是一個IDM企業(yè)，自身生產的產品和一些純IC設計廠商的產品具有競爭關系，客戶也會在挑選代工廠商上有所考慮。
張彬磊從產品品質方面指出，按照以往的經(jīng)驗來看，三星在晶體管參數(shù)、芯片功耗、發(fā)熱問題、良品率上都比臺積電略遜一籌。特別是采用三星制程的芯片始終擺脫不了嚴重過熱問題，性能也低于臺積電所代工的芯片，使得三星很難擴大市場占有率。
英特爾、IBM左右逢源
英特爾“牙膏廠”的名號在外甚是響亮，原因就在于研發(fā)進度過慢，工藝停留在7納米的時間過長，像是在擠牙膏一樣，不少人懷疑英特爾黔驢技窮了。但最近英特爾像是突然意識到了危機感一樣，到處求合作，此前和三星、IBM簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，共同研發(fā)2納米制造工藝，而現(xiàn)在又傳出要與臺積電合作，可以說是左右逢源。
楊俊剛表示，英特爾在去年7月份的工藝和封裝大會上，公布了英特爾最新的技術路線，首先把重要工藝命名進行了修改10納米技術改名Intel 7，7納米技術改為Intel4,5納米技術改成Intel 3,2納米技術改成Intel20A，Intel20A工藝也是開始由FinFET工藝轉向了GAA晶體管，其中將會采用兩項RibbonFET、PowerVia技術。其中RibbonFET技術是英特爾自FinFET技術以來推的首個技術。并且英特爾表示將會尋求和臺積電合作，雙方共同加強對2納米工藝技術的研發(fā)。
而老將IBM為我們帶來的最大的驚喜就是在2021年5月發(fā)布的全球首個2納米制造工藝，并在紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2納米工藝生產的完整300mm晶圓。據(jù)預計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體管。相比之下，臺積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個晶體管，三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個晶體管。這使得2nm芯片的性能有望提升45%、功耗有望降低75%。
“此款2納米芯片，并未實現(xiàn)真正產業(yè)化，采用了GAA工藝，使2納米的晶體管密度達到了333.33（MTr/mm2），高于目前所已知的其他芯片制造的工藝的晶體管密度。”楊俊剛介紹到。但張彬磊認為，這種實驗室工藝，與量產工藝差距很大。IBM和英特爾應該把目標放在5納米以上的工藝。
2納米要過三道坎兒
想要研發(fā)出2納米芯片，所需要的環(huán)節(jié)非常繁多且缺一不可，就像我們在做手工時，都需要擁有合適且優(yōu)秀的材料、熟練且完善的技術和先進且趁手的工具，在先進制程的研發(fā)中更是如此，其中晶體管架構方式的轉變和優(yōu)化就是技術的象征。
對于2納米的研發(fā)來說，新型材料的選擇與應用一樣會起到至關重要的作用。喬安表示，半導體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關鍵。
中國科學院院士張躍指出，硅基集成電路制程與制造技術經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，特別是在高端芯片領域已經(jīng)形成了完整的產業(yè)鏈與技術鏈。近年來，二維材料及其范德華異質結電子學器件已經(jīng)在超低功耗晶體管、超快邏輯運算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲等領域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
碳納米管基芯片
資料來源：Nature,2019,Vol.572,Page586
二維材料和一維材料是未來突破2納米以下先進制程研發(fā)的潛力材料。石墨烯、碳納米管、過渡金屬化合物等二維或一維材料的尺寸較小，是未來有望替代硅基的新材料。目前碳納米管基芯片及石墨烯芯片已經(jīng)有國際研發(fā)機構成功實現(xiàn)小規(guī)模的研發(fā)實驗，未來通過中試和量產后，有望突破硅基材料難以延續(xù)摩爾定律的困境。賽迪顧問集成電路中心高級咨詢顧問池憲念向《中國電子報》記者表示。
目前，2納米制程技術關注的重點在于晶體管架構將由FinFET正式進入GAAFET世代，相較于FinFET，GAAFET架構為四面環(huán)繞式包覆，更能有效提高效能同時控制漏電 （降低功耗）；TSMC在2納米將正式導入GAAFET，而Samsung2納米制程將為其第二代GAAFET架構制程，預期整體穩(wěn)定性及效能都將更加提升。TrendForce集邦咨詢分析師喬安表示。
從目前的各個大廠公布的技術來看，GAA（Gate-All-Around）FET全柵場效應晶體管技術將會成為2納米芯片研制的主流工藝，GAAFET工藝采用的是納米線溝道設計。溝道整個外輪廓都被柵極完美包裹，對溝道的控制能力會更好，并且擁有更好的靜電特性，尺寸能夠進一步微縮。
最后是硬件設備是否足夠先進可以支撐2納米的制造，自然就是指光刻機，而現(xiàn)有的光刻機是否已經(jīng)滿足2納米的開發(fā)需求了呢？
張彬磊認為，當前的光刻機支持2納米工藝研發(fā)完全沒有問題，5納米量產工藝的光刻機使用多層曝光工藝就可以實現(xiàn)。但是考慮到成本，量產需要的光刻機目前ASML還在開發(fā)中。
目前已量產的光刻機還不能滿足2納米的開發(fā)需求。據(jù)公開信息，荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA（高數(shù)值孔徑）EUV光刻機，可滿足2納米的研發(fā)和生產需求。首臺High NA EUV光刻機將于2023年開放早期測試，并從2025年開始量產。但具體來看，滿足2納米制程生產需求的光刻機還需要突破光學分辨率的問題，道阻且長。同時，為適應2納米的開發(fā)需求，光刻膠也需要進行進一步的革新以滿足光刻機更高分辨率的需求。
2納米之后
盡管現(xiàn)在處于后摩爾時代中，但2納米的研發(fā)已經(jīng)慢慢出現(xiàn)了輪廓，但是否還會向1納米發(fā)展，甚至進入埃米時代，先進工藝的發(fā)展歷程是否還會穩(wěn)步發(fā)展下去。
目前來看，除了少數(shù)需要超大算力或者存儲容量且對芯片體積、能耗極為敏感的領域，1納米及以上的成熟工藝幾乎已經(jīng)完全可以滿足民用類芯片的所有需求。除非在新的通信技術加持下推出需要超大算力、存儲容量的爆款應用產品，否則很難讓普通消費者為手機支付較大開支，來進一步大幅提升性能。眾所周知，先進工藝代工價格非常昂貴，民用芯片一是考慮性能，二就是價格。
喬安表示，根據(jù)目前先進制程領導廠商臺積電、三星及英特爾所發(fā)布的制程路徑圖觀察，先進制程的發(fā)展仍然在持續(xù)進行。然而如同上述，在半導體制程逐漸逼近物理極限的趨勢下，晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是摩爾定律延續(xù)下去的重點。
先進工藝肯定會遭遇物理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風險，后摩爾時代的重點將不會聚焦在無限制提升工藝制程上面，而是通過先進封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構，甚至提升軟件層面的算法，來提升芯片的運算效率，在這些領域，可供提升的空間還很大，創(chuàng)道投資咨詢總經(jīng)理步日欣向《中國電子報》記者表示。
