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(jìn)工藝技術(shù)的研發(fā)。此前，老對手三星也表示將于2025年量產(chǎn)2納米。去年，英特爾調整了技術(shù)路線(xiàn)，大踏步向2納米進(jìn)軍，而IBM展示的2納米工藝制程也著(zhù)實(shí)讓人驚艷了一陣子。新年伊始， 2納米作為階段性制高點(diǎn)，吹響了芯片先進(jìn)制程之戰的號角。

目前，在先進(jìn)工藝這一賽道上，玩家只剩下了臺積電、三星、英特爾和IBM?，F在最先進(jìn)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(shù)水平的，全球也只有臺積電和三星兩家。根據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，并且都表現出了將在2025年量產(chǎn)2納米的決心。雖然3納米現在還沒(méi)被達到量產(chǎn)，但從幾大廠(chǎng)商在3納米上的研發(fā)進(jìn)度就可初見(jiàn)端倪。

臺積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮球曾公開(kāi)表示，臺積電正在用新工藝證明了，摩爾定律仍在持續往前推進(jìn)。作為先進(jìn)工藝的推動(dòng)者，臺積電2018年推出7納米，2020年推出5納米， 2022年將會(huì )如期推出3納米，而且2納米工藝也在順利研發(fā)。

據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納米節點(diǎn)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(jìn)一步提升。

賽迪顧問(wèn)集成電路產(chǎn)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(huì )在2納米芯片中采用GAAFET工藝，目前來(lái)看臺積電已經(jīng)試產(chǎn)了3納米芯片，預計今年將會(huì )量產(chǎn)，但是臺積電3納米的工藝現在還是采用FinFET工藝，從研發(fā)到生產(chǎn)上，FinFET轉到GAAFET還需要有一定的適應調節能力。

平面晶體管與FinFET以及GAA FET示意圖

資料來(lái)源：LamResearch

“從質(zhì)量和產(chǎn)量?jì)煞矫婵紤]，臺積電無(wú)疑會(huì )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(kāi)始運營(yíng)，主要負責3/2/1納米先進(jìn)工藝，2025年2納米將在這里最早實(shí)現量產(chǎn)?！毙局\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(kāi)表示要在芯片加工領(lǐng)域與臺積電展開(kāi)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(huì )上，三星更是攜手IBM宣布了一種名為垂直傳輸場(chǎng)效應晶體管 (VTFET) 的芯片設計技術(shù)，并表示該技術(shù)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(kāi)始成功流片，將于2022年上半年開(kāi)始生產(chǎn)，2納米芯片將于2025年量產(chǎn)，并且3納米工藝就將會(huì )采用GAA工藝，2納米技術(shù)將會(huì )持續采用GAA工藝，在3納米進(jìn)軍2納米工藝的技術(shù)節點(diǎn)上將會(huì )節省一些步驟。

TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工企業(yè)市場(chǎng)份額占比排名

盡管三星的進(jìn)步很大，但與臺積電的差距仍然很大——市場(chǎng)研究公司TrendForce的報告中顯示，2021第三季，三星代工銷(xiāo)售額相較于第二季度增長(cháng)11.0%至48.1億美元，市場(chǎng)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(gè)百分點(diǎn)。楊俊剛認為，原因在于臺積電在晶圓代工領(lǐng)域積累了豐富的客戶(hù)資源，包括蘋(píng)果、華為、高通、英偉達等。而且先進(jìn)工藝技術(shù)快速且穩定，對于蘋(píng)果、華為、高通等追求先進(jìn)制程迭代速率較快的企業(yè)，產(chǎn)品更早進(jìn)入市場(chǎng)，會(huì )為自身帶來(lái)一定的市場(chǎng)優(yōu)勢。產(chǎn)能方面，臺積電的晶圓代工產(chǎn)能領(lǐng)先三星于三倍之多，在產(chǎn)能使用和保障上，規模更大的廠(chǎng)商會(huì )更有優(yōu)勢。其次，臺積電屬于純晶圓代工廠(chǎng)，而三星是一個(gè)IDM企業(yè)，自身生產(chǎn)的產(chǎn)品和一些純IC設計廠(chǎng)商的產(chǎn)品具有競爭關(guān)系，客戶(hù)也會(huì )在挑選代工廠(chǎng)商上有所考慮。

張彬磊從產(chǎn)品品質(zhì)方面指出，按照以往的經(jīng)驗來(lái)看，三星在晶體管參數、芯片功耗、發(fā)熱問(wèn)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(guò)熱問(wèn)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(chǎng)占有率。

英特爾“牙膏廠(chǎng)”的名號在外甚是響亮，原因就在于研發(fā)進(jìn)度過(guò)慢，工藝停留在7納米的時(shí)間過(guò)長(cháng)，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(kāi)發(fā)協(xié)議，共同研發(fā)2納米制造工藝，而現在又傳出要與臺積電合作，可以說(shuō)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(huì )上，公布了英特爾最新的技術(shù)路線(xiàn)，首先把重要工藝命名進(jìn)行了修改10納米技術(shù)改名Intel 7，7納米技術(shù)改為Intel4,5納米技術(shù)改成Intel 3,2納米技術(shù)改成Intel20A，Intel20A工藝也是開(kāi)始由FinFET工藝轉向了GAA晶體管，其中將會(huì )采用兩項RibbonFET、PowerVia技術(shù)。其中RibbonFET技術(shù)是英特爾自FinFET技術(shù)以來(lái)推的首個(gè)技術(shù)。并且英特爾表示將會(huì )尋求和臺積電合作，雙方共同加強對2納米工藝技術(shù)的研發(fā)。

而老將IBM為我們帶來(lái)的最大的驚喜就是在2021年5月發(fā)布的全球首個(gè)2納米制造工藝，并在紐約州奧爾巴尼的工廠(chǎng)展示了2納米工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。據預計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個(gè)晶體管。相比之下，臺積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個(gè)晶體管，三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個(gè)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(shí)現真正產(chǎn)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?！睏羁偨榻B到。但張彬磊認為，這種實(shí)驗室工藝，與量產(chǎn)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。

想要研發(fā)出2納米芯片，所需要的環(huán)節非常繁多且缺一不可，就像我們在做手工時(shí)，都需要擁有合適且優(yōu)秀的材料、熟練且完善的技術(shù)和先進(jìn)且趁手的工具，在先進(jìn)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(shù)的象征。

對于2納米的研發(fā)來(lái)說(shuō)，新型材料的選擇與應用一樣會(huì )起到至關(guān)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(shù)的演進(jìn)都會(huì )是芯片持續提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。

中國科學(xué)院院士張躍指出，硅基集成電路制程與制造技術(shù)經(jīng)歷了數十年的發(fā)展，特別是在高端芯片領(lǐng)域已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)鏈。近年來(lái)，二維材料及其范德華異質(zhì)結電子學(xué)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(lǐng)域表現出巨大的發(fā)展潛力。

碳納米管基芯片

資料來(lái)源:Nature,2019,Vol.572,Page586

二維材料和一維材料是未來(lái)突破2納米以下先進(jìn)制程研發(fā)的潛力材料。石墨烯、碳納米管、過(guò)渡金屬化合物等二維或一維材料的尺寸較小，是未來(lái)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(shí)現小規模的研發(fā)實(shí)驗，未來(lái)通過(guò)中試和量產(chǎn)后，有望突破硅基材料難以延續摩爾定律的困境。賽迪顧問(wèn)集成電路中心高級咨詢(xún)顧問(wèn)池憲念向《中國電子報》記者表示。

目前，2納米制程技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)在于晶體管架構將由FinFET正式進(jìn)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(shí)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，預期整體穩定性及效能都將更加提升。TrendForce集邦咨詢(xún)分析師喬安表示。

從目前的各個(gè)大廠(chǎng)公布的技術(shù)來(lái)看，GAA（Gate-All-Around）FET全柵場(chǎng)效應晶體管技術(shù)將會(huì )成為2納米芯片研制的主流工藝，GAAFET工藝采用的是納米線(xiàn)溝道設計。溝道整個(gè)外輪廓都被柵極完美包裹，對溝道的控制能力會(huì )更好，并且擁有更好的靜電特性，尺寸能夠進(jìn)一步微縮。

最后是硬件設備是否足夠先進(jìn)可以支撐2納米的制造，自然就是指光刻機，而現有的光刻機是否已經(jīng)滿(mǎn)足2納米的開(kāi)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(méi)有問(wèn)題，5納米量產(chǎn)工藝的光刻機使用多層曝光工藝就可以實(shí)現。但是考慮到成本，量產(chǎn)需要的光刻機目前ASML還在開(kāi)發(fā)中。

目前已量產(chǎn)的光刻機還不能滿(mǎn)足2納米的開(kāi)發(fā)需求。據公開(kāi)信息，荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA（高數值孔徑）EUV光刻機，可滿(mǎn)足2納米的研發(fā)和生產(chǎn)需求。首臺High NA EUV光刻機將于2023年開(kāi)放早期測試，并從2025年開(kāi)始量產(chǎn)。但具體來(lái)看，滿(mǎn)足2納米制程生產(chǎn)需求的光刻機還需要突破光學(xué)分辨率的問(wèn)題，道阻且長(cháng)。同時(shí)，為適應2納米的開(kāi)發(fā)需求，光刻膠也需要進(jìn)行進(jìn)一步的革新以滿(mǎn)足光刻機更高分辨率的需求。

盡管現在處于后摩爾時(shí)代中，但2納米的研發(fā)已經(jīng)慢慢出現了輪廓，但是否還會(huì )向1納米發(fā)展，甚至進(jìn)入埃米時(shí)代，先進(jìn)工藝的發(fā)展歷程是否還會(huì )穩步發(fā)展下去。

目前來(lái)看，除了少數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(lǐng)域，1納米及以上的成熟工藝幾乎已經(jīng)完全可以滿(mǎn)足民用類(lèi)芯片的所有需求。除非在新的通信技術(shù)加持下推出需要超大算力、存儲容量的爆款應用產(chǎn)品，否則很難讓普通消費者為手機支付較大開(kāi)支，來(lái)進(jìn)一步大幅提升性能。眾所周知，先進(jìn)工藝代工價(jià)格非常昂貴，民用芯片一是考慮性能，二就是價(jià)格。

喬安表示，根據目前先進(jìn)制程領(lǐng)導廠(chǎng)商臺積電、三星及英特爾所發(fā)布的制程路徑圖觀(guān)察，先進(jìn)制程的發(fā)展仍然在持續進(jìn)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(shù)的演進(jìn)都會(huì )是摩爾定律延續下去的重點(diǎn)。

先進(jìn)工藝肯定會(huì )遭遇物理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風(fēng)險，后摩爾時(shí)代的重點(diǎn)將不會(huì )聚焦在無(wú)限制提升工藝制程上面，而是通過(guò)先進(jìn)封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構，甚至提升軟件層面的算法，來(lái)提升芯片的運算效率，在這些領(lǐng)域，可供提升的空間還很大，創(chuàng )道投資咨詢(xún)總經(jīng)理步日欣向《中國電子報》記者表示。

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