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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。”
