雖然摩爾定律逐漸步入下半場,，但各國和地區(qū)對先進工藝還在不斷的追逐,。包括中國臺灣、歐洲和日美韓在內(nèi)的多個國家和地區(qū)都在競相發(fā)力2nm技術,。建立全球無摩擦半導體生態(tài)系統(tǒng)花費了數(shù)十年的時間，如今為何各國都在爭相投入大筆資金來發(fā)展本國自主可控的先進技術,，因為半導體變得越來越重要了,。2納米芯片不僅可用于量子計算、數(shù)據(jù)中心和智能手機等產(chǎn)品中,，還可以決定軍事硬件的性能,，包括戰(zhàn)斗機和導彈。因此,，芯片不僅是經(jīng)濟的支柱,，而且還支持國家的自治,，安全和主權。而中國大陸卻因為一些眾所周知的原因,，暫時與先進工藝技術無緣,。
中國臺灣：臺積電2025年量產(chǎn)2nm
最先進的節(jié)點92%來自中國臺灣臺積電，臺積電在開發(fā)2納米芯片的量產(chǎn)技術方面處于領先地位,。2019年,，臺積電便宣布啟動2nm工藝的研發(fā)，使其成為第一家宣布開始研發(fā)2nm工藝的公司,。
臺積電的第一家2nm工廠位于臺灣北部新竹縣寶山附近的工廠,。就在今年6月 5日臺積電宣布將投資1兆元擴大2nm工藝芯片的產(chǎn)量。配合臺積電2納米建廠計劃,，中科臺中園區(qū)擴建二期開發(fā)計劃如火如荼展開,。臺積電供應鏈透露，臺積電在中科除了規(guī)劃2納米廠,，后續(xù)的1納米廠也可能落腳此處,。
關于2nm的技術進展，據(jù)外媒eetimes報道,，臺積電早前與少數(shù)幾家媒體分享了其工藝路線圖,，正在評估CFET等工藝技術，以將其當作納米片的“接班人”,。按照他們所說,，臺積電將在2025年推出使用納米片晶體管的2nm工藝。據(jù)臺積電業(yè)務發(fā)展副總裁 Kevin Zhang介紹,，CFET是一個選擇,，且目前還處于研發(fā)階段，所以他也不能提供其任何時間表,。Kevin Zhang同時指出,，3 nm 將是一個長節(jié)點。在該節(jié)點上將有大量需求,。而那些對計算能效有更高要求的客戶可以率先轉向2nm,。
目前，臺積電的2nm開發(fā)已經(jīng)走上正軌,，魏哲家表示,，臺積電2納米技術去年已經(jīng)進入技術開發(fā)階段，著重于測試載具的設計與實作,、光罩制作,、以及硅試產(chǎn)?？偟膩碚f,，臺積電采用新工藝技術的速度越來越慢,。傳統(tǒng)上，臺積電每兩年使用一個全新節(jié)點開始生產(chǎn),。臺積電的 N7于 2018 年 4 月開始爬坡,，N5 于 2020 年 4 月進入 HVM，但 N3 僅在 2022 年下半年用于商業(yè)生產(chǎn),。對于N2,，我們顯然看到了更長的節(jié)奏，這也說明了工藝節(jié)點越來越難研發(fā)和攻克,。
毫無疑問,，從現(xiàn)在開始展望未來五年，半導體業(yè)務將會很艱難,，因為隨著摩爾定律的推進,，縮小晶體管尺寸將變得越來越困難，并且預期的晶體管成本比例下降趨于平緩,。
美國：IBM和英特爾推動2nm發(fā)展
2021年,，IBM完成了2納米技術的突破。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7nm工藝提升了45%的性能或者減少75%的功耗，預計2024年量產(chǎn),。
在這個芯片上,，IBM用上了一個被稱為納米片堆疊的晶體管,，它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部,，而不是讓它們并排放置以獲取電壓信號并將位從1翻轉為零或從0翻轉為1。這些晶體管被稱為gate all around或GAA晶體管,。
據(jù)半導體行業(yè)觀察讀者肖德元對其的解讀,，“也就是說IBM已經(jīng)開始考慮將CFET應用到它的2nm Power 系列產(chǎn)品了。CFETs是Complementary FETs的縮寫,。在CFETs中, 彼此之間堆疊nFET和pFET納米線或納米薄片,。CFET可以將一個nFET堆疊在pFET上，或者在兩個pFETs的頂部堆疊兩個nFETs,。這樣做的主要優(yōu)點是節(jié)省面積從而帶來一些功率和性能上的好處,，適用于2nm以后技術節(jié)點?！?/p>
據(jù)《中央社》報導,，臺灣地區(qū)工研院產(chǎn)科國際所研究總監(jiān)楊瑞臨指出，IBM發(fā)表2nm制程對于半導體產(chǎn)業(yè)是一件大事,，象征著GAA架構的可行性,，讓臺積電,、三星朝著2nm制程研發(fā)加速，雖然這可能使得臺積電的競爭壓力增加,，但臺積電有著眾多客戶,，可以有效縮短學習曲線、良率提升以及降低成本,。
同為美國公司的英特爾公司也在進行 2 納米工藝的研發(fā),。據(jù)英特爾的最新路線圖，2024 年上半年英特爾的Intel 20A（20 埃 = 2nm）工藝將亮相,，新節(jié)點將帶來 15% 的性能提升,。這將是英特爾的第一個 HNS（他們稱之為 RibbonFET），他們還將引入背面供電（他們稱之為 PowerVia）,。背面供電解決了 IR 功率下降問題,，同時使前端互連更容易。他們估計,，這個工藝的密度較之上一代提高了 1.6 倍,。
而英特爾公司CEO基辛格也表示，英特爾可望比預訂時程提前達成一項重要的科技里程碑,，重拾技術領先優(yōu)勢,，會在2024年底重奪晶圓代工制程寶座，比先前的目標2025年提早,。
韓國以三星為首
在 2021 年第五屆年度晶圓代工論壇 (SFF) 上,，三星介紹了其基于GAA 晶體管結構的 3nm 和 2nm 工藝節(jié)點的路線圖。據(jù)該公司稱,，基于 3nm 的芯片設計計劃于 2022 年上半年開始生產(chǎn),，而基于 2nm 的芯片將在 2025 年量產(chǎn)。
不過具體的工藝指標還沒公布,，只知道還是GAA晶體管,，跟3nm一樣基于MBCFET（多橋溝道FET）技術，這是一種納米片晶體管,，可以垂直堆疊,，而且兼容現(xiàn)在的CMOS工藝，共享設備與制造方法,，降低了新技術的升級成本,。
日本拉來美國合作2nm
據(jù)日經(jīng)報道，日本將與美國合作,，最早在2025財年啟動國內(nèi)2納米半導體制造基地,，加入下一代芯片技術商業(yè)化的競賽。兩國企業(yè)將依據(jù)雙邊芯片技術合作伙伴關系，進行半導體設計和量產(chǎn)研究,，潛在合作模式包含共同創(chuàng)立新公司,，或由日本企業(yè)設立新的生產(chǎn)基地，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省將補助部分研發(fā)成本和資本支出,。
今年5月初,，日美簽署了半導體合作基本原則。雙方將在即將舉行的“二加二”內(nèi)閣經(jīng)濟官員會議上討論合作框架的細節(jié),。其中日本的國立先進工業(yè)科學技術研究所運營的筑波市研究實驗室正在開發(fā)先進半導體生產(chǎn)線的制造技術,，包括2納米工藝的生產(chǎn)技術。東京電子和佳能等芯片制造設備制造商與IBM,、英特爾和臺積電等也參加了這個會議,。
早先日本已經(jīng)吸引了臺積電赴日本建立晶圓廠，但該工廠將只生產(chǎn)從10nm到20nm 范圍的不太先進的半導體,。此次啟動與美國的合作,，也代表了日本向2nm先進工藝進擊的決心。
雖然日本沒有先進的晶圓廠,，但他們在先進工藝的上游有很重要的布局,。日本在半導體制造的多個環(huán)節(jié)都參與其中。日本擁有信越化學和Sumco等強大的芯片材料制造商,，有佳能這樣的EUV光刻機廠商,，并且全球僅有日本廠商研發(fā)出了EUV光刻膠。還有占據(jù)100%市場份額的東京電子的EUV涂覆顯影設備,。在半導體缺陷檢測設備領域,，日本的Lasertec Corp.是全球唯一的測試機制造商，該公司持有全球市場100%的份額,。日本富岳“超算”上的富士通的48核Arm芯片A64FX的超強性能表現(xiàn)加上索喜5nm芯片的新聞表示,，日本在先進芯片上也有其實力所在。
圖源：日經(jīng)中文網(wǎng)
在這些企業(yè)的配合下,，相信日本復興半導體先進芯片技術乃至建造先進工藝晶圓廠,，都有潛在的可能,。日本政府半導體小組的高級顧問東哲郎此前認為,，日本的半導體產(chǎn)業(yè)已低迷數(shù)十年，增加對半導體產(chǎn)業(yè)的補助,，在日本政界內(nèi)已形成共識,，他建議，在未來的10年內(nèi),，日本政府及私營部門應投資半導體產(chǎn)業(yè)10兆日圓,。
歐洲的2nm雄心
在全球4400億歐元的半導體市場中，歐洲僅占10%,，這遠低于其經(jīng)濟地位,。20年來,，歐洲沒有一家領先的晶圓廠投入先進工藝運營，歐洲越來越依賴于世界其他地區(qū)生產(chǎn)的芯片,。其實早在80年代中期,，歐盟就支持飛利浦和西門子（現(xiàn)為英飛凌）為超越工藝節(jié)點以消除其競爭劣勢而做出新嘗試。但嘗試并未獲得成功,，也因此歐洲開始專注于外包半導體生產(chǎn),。
受貿(mào)易摩擦及缺芯等的多重因素影響，歐盟也推出了芯片自主可控的方案,。歐盟委員會在一項名為《2030數(shù)字指南針》計劃中,，提出生產(chǎn)能力沖刺2nm的目標。2020年12月,，歐盟17個成員國簽署了一項聯(lián)合聲明,，承諾共同開發(fā)下一代值得信賴的低功耗嵌入式處理器和先進的工藝技術。該項目在ECSEL的2019年年度活動報告中揭露,，他們對研發(fā)2nm技術的預算約是1.1億美元,，歐盟將出約2500萬美元，剩下的呼吁各國政府提供額外的資金,。聲明文件特別提到了在2025年使用2nm制程節(jié)點的目標,。該項目由ASML牽頭，將獲得歐盟納稅人300萬歐元（約合360萬美元）的支持,，盡管IMEC 研究機構將是最大的受益者,。
歐洲雖然沒有大型的晶圓代工廠，但卻是尖端芯片制造商和和設備供應商的所在地,，每家的年銷售額從4美元到160億美元不等,，其中包括意法半導體、英飛凌,、恩智浦和艾邁斯半導體以及格羅方德及其德國工廠,、英特爾和ASML。與此同時,，一些規(guī)模較小但實力雄厚的行業(yè)參與者在歐洲并存,，包括半導體代工廠Tower Semiconductor和 X-Fab，每年的銷售額在5億至10億美元之間,。此外還有至少200家公司,，如Elmos、Murata Europe,、Besi,、EVG、Soitec 和 Siltronic，包括IDM,、系統(tǒng)制造商的子公司和半導體設備制造商,，遍布歐洲，他們的年收入均不到5億美元,，但仍保持著歐洲的制造和技術獨立性,。
而歐盟也有意將制造能力置于2nm。但Yole行業(yè)分析師此前曾表示,，在沒有臺積電或三星支持的情況下,，建造這樣一個最先進的設施至少需要10到15 年，并且需要數(shù)百億美元的投資,。而就在今年2月份,，英特爾宣布計劃投資800億歐元在歐洲（可能是德國）建立 2nm、1.8nm 工廠,?？紤]到2nm節(jié)點最遲將在2024年開始量產(chǎn)，預估應該在今年晚些時候開始建設,。
寫在最后
綜合來說,，2nm的實現(xiàn)可能性很大。在2nm技術上的突破三大晶圓廠肯定是勝算較大,，但是先進制程是需要經(jīng)驗積累的,，所以臺積電劉德音在最近的股東大會上才放話，對于日美合作2納米,，三星以及英特爾在2納米技術上的發(fā)展,，臺積電并不會特別擔心。按照過往的經(jīng)驗,，臺積電在良率上一直相當不錯,。至于歐洲在2nm技術上突破應該也還有很長的一段路要走。不過很遺憾的是,，中國大陸暫時無法加入這場先進制程的競賽,。
