作者:九林
2025年將是2nm的決戰(zhàn)之年。
當(dāng)晶圓代工還在推進3nm時,2nm已經(jīng)橫空出世。一個曾經(jīng)遙遠的目標,隨著摩爾定律的發(fā)展正在被臺積電、英特爾、三星等巨頭競相追逐。
從各大巨頭公布的進展來看,2025年將是2nm的決戰(zhàn)之年。
2nm的追逐之戰(zhàn)
在2nm的征戰(zhàn)中,臺積電、英特爾、三星從未缺席。
臺積電一直走在先進制程的前列。根據(jù)臺積電2021年的財報顯示,5nm晶圓出貨量占據(jù)了總營收的20%,7nm工藝技術(shù)占30%,也就是說先進制程芯片代工貢獻了一半營收。
因此,臺積電對于先進制程的重視不言而喻。臺積電官方曾表示,其到2025年預(yù)計投入440億美元用于研發(fā),八成費用將用于先進制程。
在先進制程的路線圖中,臺積電第一代3nm(N3)將于今年下半年量產(chǎn),2nm將于2025年量產(chǎn)。在場地方面,臺積電已經(jīng)宣布將花費1萬億新臺幣(約2290億元人民幣)在臺中擴大2nm產(chǎn)能布局。目前臺積電的首個2nm(新竹N2廠)正在申請土地使用權(quán),計劃于今年三季度動工。
英特爾同樣進行了巨額的投入,在俄亥俄州宣布要投入200億美元興建晶圓廠,以及在歐洲投入360億美元設(shè)廠。
英特爾已承諾到2025年重新獲得芯片制造技術(shù)的領(lǐng)先地位。在2021年年中首次披露了其1.8nm技術(shù)——它稱之為18A技術(shù)。今年,英特爾首席執(zhí)行官Pat Gelsinger表示,這項技術(shù)“比計劃提前了六個月”,并將時間表提前到了2024年底。
面對先進制程的研發(fā),三星在投資方面也毫不手軟,宣布在未來三年內(nèi)投資創(chuàng)紀錄的2050億美元,以保證在芯片制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
三星電子今天宣布,已開始初步生產(chǎn)采用全環(huán)柵極 (GAA) 晶體管架構(gòu)的3nm工藝節(jié)點。另外,三星也將2nmGAA工藝的量產(chǎn)時間定在2025年。
但是,良率問題已經(jīng)成為圍繞三星的陰影。在全球5/7nm工藝的主要客戶中,只有高通、英偉達和IBM表示愿意采用三星電子的先進工藝技術(shù),蘋果、聯(lián)發(fā)科、AMD、英特爾、博通都與臺積電保持穩(wěn)定的合作關(guān)系。在3nm的研發(fā)中,三星也多次因為良率過低推遲宣布正式的大規(guī)模生產(chǎn)。
2nm的全球渴望
面對2nm的誘惑,全球各地都在發(fā)力。
在美國方面,IBM在5月7日宣布了關(guān)于2nm的進展,聲稱其已打造出全球首個2nm芯片制造技術(shù)。但是IBM公布的只是實驗性質(zhì)的預(yù)研項目,距離量產(chǎn)還有很遠的距離。
日本則傳出消息,想和美國合作研發(fā)2nm工藝制程,計劃最早2025年在日本啟動2nm制程國內(nèi)制造基地。
歐盟同樣想?yún)⑴c2nm的賽道。去年12月,19個歐盟成員國簽署了一項聯(lián)合聲明,以“加強歐洲開發(fā)下一代處理器和半導(dǎo)體的能力”進行合作。其中包括為各行各業(yè)的特定應(yīng)用提供最佳性能的芯片和嵌入式系統(tǒng),以及向處理器技術(shù)的2nm節(jié)點發(fā)展的領(lǐng)先制造技術(shù)。
歐盟希望在2030年,歐洲先進和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值至少占全球生產(chǎn)總值的20%,較2020年提升一倍,制程瞄準2nm,能效達到今天的10倍。
GAA是2nm的最終選擇?
關(guān)于2nm的結(jié)構(gòu)選擇一直是業(yè)內(nèi)爭議,每家公司都有不同的理念。GAA、Nanosheet和VTFET、CFET、2DTMD和CNT等新結(jié)構(gòu)都曾出現(xiàn)在各大巨頭的演講稿中。
但面對2nm制程,臺積電、三星、英特爾都不約而同的選擇了GAA晶體管——納米片F(xiàn)ET(英特爾稱其為RibbonFET)。
三星是全球第一家使用GAA技術(shù)的公司,從5nm節(jié)點的finFET遷移到3nm節(jié)點的GAA。三星希望在GAA時代的競爭中獲得一席之地。該公司宣布將在2022年推出3nmGAA的早期版本,而其“性能版本”將在2023年出貨。
相比之下,英特爾和臺積電計劃在3nm擴展finFET,然后在2nm轉(zhuǎn)移到GAA。臺積電在3nm時保留了FinFET結(jié)構(gòu),從而降低風(fēng)險。臺積電的3nm是其5nm平臺的全尺寸版本,但復(fù)雜度更高。
臺積電的全環(huán)繞柵極式納米片電晶體管(GAA nanosheet transistors),晶體管的通道在所有四個側(cè)面都被柵極包圍,從而減少了電能泄漏。這在當(dāng)下晶體管體積越發(fā)接近原子體積時,將會越來越突出。
采用GAA架構(gòu),可以解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。與FinFET晶體管(下圖紅線)相比,Nanosheet(下圖藍線)能夠?qū)崿F(xiàn)更嚴格的閾值電壓(Vt)控制。
來源:臺積電
去年宣布研制出2nm芯片的IBM同樣選擇了納米片工藝,在IBM的研究中納米片也表現(xiàn)出更優(yōu)秀的特性。
更高的計算性能和更低的功耗:由于GAA中更好的靜電控制和更高的封裝密度,納米片提供了更好的功率性能設(shè)計點。與代工廠現(xiàn)有的最新最好的7nm FinFET技術(shù)相比,納米片技術(shù)在相同功率下提供超過25%的性能提升,或在相同性能下節(jié)省超過50%的功率。
更流線型設(shè)計的可變片寬:值得注意的是,納米片技術(shù)是人工智能和5G時代計算機產(chǎn)品更好的架構(gòu)材料,因為它通過極紫外光刻(EUV)實現(xiàn)了可變片寬。這使得器件設(shè)計更加通用,因為具有不同通道寬度的納米片器件可以共同集成在同一芯片中,以進一步優(yōu)化功率性能。
通道厚度控制:增加納米片堆棧的通道層可以創(chuàng)建用于通道形成的原子級控制。FinFET不可能實現(xiàn)如此精確的溝道厚度控制,因為它是由光刻技術(shù)和RIE定義的,其中局部和全局工藝變化遠高于外延厚度變化。
也正因如此,Nanosheet GAA或許會成為2nm的未來選擇。
EUV光刻機的激烈競爭
工欲善其事,必先利其器。
在2nm的研發(fā)中,高NA的EUV光刻機是制造的關(guān)鍵設(shè)備。使用13.5nm波長EUV已被用于在7nm和5nm處對微小特征進行圖案化。下一代版本High-NA EUV正在研發(fā)中,需要對3nm以上的更精細特征進行圖案化。因此,下一代光刻機花落誰家也成為是否能量產(chǎn)2nm工藝的關(guān)鍵。
而按照ASML的數(shù)據(jù),2021年一共出貨48臺EUV光刻機,其中,三星購得15臺,臺積電為20臺,另外的13臺則被英特爾、美光、SK海力士等廠商分走了。
而2022年,預(yù)計可以交付51臺EUV光刻機,這51臺就是三星、臺積電、英特爾們爭搶的重點。
英特爾早已搶下ASML下一代芯片制造系統(tǒng)TwinscanEXE:5200,其吞吐量超每小時220片晶圓(wph),預(yù)計將在2024年交付并投入使用。TwinscanEXE:5200相較于其他光刻機無論是生產(chǎn)能力(每小時生產(chǎn)超過200片晶圓)還是精度(0.55數(shù)值孔徑)都有較大提高,這意味著誰擁有了便擁有了3nm,甚至是2nm時代的芯片霸權(quán)。
臺積電研發(fā)高級副總裁米玉杰在上述研討會上表示:“臺積電將在2024年引入Hign-NA EUV光刻機,以開發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施和圖案化解決方案,并推動創(chuàng)新。”盡管之后其表示,臺積電不會在2024年準備使用新的High-NA EUV工具進行生產(chǎn),將主要用于與合作伙伴進行研究。
但Tech Insights芯片經(jīng)濟學(xué)家Dan Hutcheson說:"臺積電在2024年擁有它,意味著他們可以更快地獲得最先進的技術(shù)。”
三星方面,三星集團副會長、三星集團實際控制人李在镕最近訪問歐洲,拜訪ASML。外界認為,李在镕此舉最重要的目標是,向ASML買到自己需要的EUV光刻機,以保證晶圓代工業(yè)務(wù)的順利進行。
3nm仍將是主流
在摩爾定律的繼續(xù)推動下,工藝制程或許還會縮小。從IMEC展示的最新路線圖中,最遠能夠看到2036年的0.2nm工藝。
實際上,從目前臺積電公布的性能提升來看,2nm之于3nm的提升,似乎不如3nm之于5nm。在同等能耗和復(fù)雜度下,N2的性能比N3高10%-15%。在相同速度和單位面積晶體管平均數(shù)目下,N2的能耗比N3低25%-30%,遠遠達不到摩爾定律密度翻倍的要求。
如果按照摩爾定律2年升級一代的水平發(fā)展的,未來芯片工藝還可以迭代下去。但就目前來說,3nm仍然將是長期的主流。
在2020年的ISSCC上,IMEC的Nadine Collaert女士提到,在3nm以下,很難再使得單個晶體管的性能再有提升,能做的只是提高集成度,降低功耗。所以從3到2,優(yōu)化的程度可能并沒有那么明顯。
臺積電也表示與N7和N5節(jié)點一樣,N3將成為臺積電另一個持久節(jié)點系列。尤其臺積電2nm節(jié)點轉(zhuǎn)向納米片GAAFET技術(shù),3nm節(jié)點系列將成為經(jīng)典先進FinFET技術(shù)最后一個系列,許多客戶預(yù)定還會采用幾年或更久。臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang表示:“我們確實相信3nm將是一個長節(jié)點。我們將繼續(xù)看到該節(jié)點的大量需求。”
這也是為何臺積電推出N3制程系列及FinFlex技術(shù)的原因。
實際上,我們沒有必要過于神化先進工藝帶來的變化,摩爾定律總有一天發(fā)展到盡頭,但正如得胡正明先生說:“只要做出更加智慧的器件,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就會繼續(xù)發(fā)展向前。”