據(jù)媒體報道，三星計劃明年在韓國開始2nm工藝的制造，并且在2047年之前，三星將在韓國投資500萬億韓元，建立一個巨型半導(dǎo)體工廠，將進(jìn)行2nm制造。

據(jù)悉，2nm工藝被視為下一代半導(dǎo)體制程的關(guān)鍵性突破，它能夠為芯片提供更高的性能和更低的功耗。

作為三星最大的競爭對手，臺積電在去年研討會上就披露了2nm芯片的早期細(xì)節(jié)，臺積電的2nm芯片將采用N2平臺，引入GAAFET納米片晶體管架構(gòu)和背部供電技術(shù)。臺積電推出的采用納米片晶體管架構(gòu)的2nm制程技術(shù)，在相同功耗下較3nm工藝速度快10%至15%，在相同速度下功耗降低25%至30%。

業(yè)內(nèi)人士指出，三星、臺積電均具備2025年量產(chǎn)2nm工藝的實力，但是在良率以及客戶認(rèn)可度方面會有所差別。

舉例來說，此前高通驍龍8 Gen1采用的是三星4nm工藝，因功耗問題高通換成了臺積電4nm，從驍龍8+ Gen1開始，高通驍龍8系全面擁抱臺積電。如果三星芯片良率提升，功耗不翻車的話，高通未來的驍龍8系列處理器有可能再次交由三星代工。


先進(jìn)制程工藝演進(jìn)，逼近物理極限

制程，是指特定的半導(dǎo)體制造工藝及其設(shè)計規(guī)則。芯片工藝中的nm單位，用于衡量芯片制造工藝中的線寬尺寸，不同的制程意味著不同的電路特性，芯片工藝的數(shù)字越小，表示線寬尺寸越小，芯片制造工藝越先進(jìn)。

制程越小，器件尺寸才能更小，半導(dǎo)體集成度才能更高，也是區(qū)分不同半導(dǎo)體制造工藝換代的標(biāo)志。一般來說，制程節(jié)點越小意味著晶體管越小速度越快、能耗表現(xiàn)越好。

從英特爾的第一顆CPU開始，芯片制程由10000nm開始以飛快的發(fā)展速度向更小的制程節(jié)點逼近，1977年芯片制程發(fā)展到3000nm，1987年發(fā)展到800nm。從1990年制程演進(jìn)到600nm開始，先進(jìn)制程的發(fā)展再一步提速，基本上每幾年就會躍升到下一個更先進(jìn)的制程節(jié)點。

2020年，5nm制程芯片（蘋果A14）首次成功應(yīng)用。而現(xiàn)在，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)制程的角逐已經(jīng)圍繞著5nm以下的工藝展開。

隨著制程節(jié)點由5nm向3nm、2nm發(fā)展和演進(jìn)，芯片制造的難度逐步逼近摩爾定律的物理極限，從制程進(jìn)步中獲得芯片性能提升的難度和成本越來越高。如今3nm戰(zhàn)場方興未艾，2nm的競爭已經(jīng)全面打響。

2nm芯片到底能帶來怎樣的提升呢？根據(jù)2021年IBM在實驗階段制成的2nm芯片，其大小只有150mm2，而這顆芯片內(nèi)部每平方毫米有著3.3億個晶體管，整塊芯片中可以安裝500億個晶體管。根據(jù)IBM的評估，2nm技術(shù)相較于7nm技術(shù)，性能方面將得到45%的提升，在同等性能下功耗能夠減少75%。

先進(jìn)制程給芯片帶來的性能提升是很明顯的，2nm芯片成功量產(chǎn)后無疑將再一次引發(fā)芯片行業(yè)的更新?lián)Q代。不論是智能手機、電腦、可穿戴設(shè)備、還是自動駕駛、數(shù)據(jù)中心等等應(yīng)用，這些領(lǐng)域一旦使用上2nm工藝的芯片，那么在性能方面將實現(xiàn)飛躍式發(fā)展，且能耗明顯下降。

從更長遠(yuǎn)的角度看，2nm后還有更極限的先進(jìn)制程，1nm制程、0.2nm制程將進(jìn)一步逼近物理極限。


三大巨頭你爭我奪

三大芯片巨頭臺積電、三星和英特爾紛紛展開爭奪2nm制程的戰(zhàn)斗。而在這場少數(shù)者的游戲中，搶光刻機截客戶是三家公司紛紛施展的手段，而2nm的技術(shù)挑戰(zhàn)和各類技術(shù)革新更是成為這場戰(zhàn)斗中的核心要素。

2nm制程的意義遠(yuǎn)超行業(yè)預(yù)期，目前該制程主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心，能大幅度提升服務(wù)器性能的同時降低功耗。特別是在人工智能大模型的崛起下，巨大參數(shù)底座的AI落地到千行百業(yè)需求增大，更強大的算力支撐就顯得尤為重要。因此英偉達(dá)成為2nm及其以下制程的早期采用者之一，并在光刻領(lǐng)域斬獲重要突破。

然而在這場競爭中光刻機成為了首要熱點，光刻機作為芯片制程向上攀升的關(guān)鍵工具，扮演著重要角色。目前ASML的光刻機仍然是最為先進(jìn)的，然而其數(shù)量有限。三星為了搶購光刻機，甚至邀請韓國總統(tǒng)尹錫悅出面于指定城市投資建廠。而佳能則嘗試采用納米壓印技術(shù)進(jìn)行2nm芯片的制程生產(chǎn)，此技術(shù)具有更小、更低功耗、更便宜等優(yōu)勢。

除了光刻機之爭，各家芯片廠商也需要應(yīng)對各類技術(shù)革新和挑戰(zhàn)。在2nm制程中GAA技術(shù)(Gate AllAround，全環(huán)柵型晶體管技術(shù))成為了核心科技之一，它能夠解決電子逸散的問題，同時背面配電線路技術(shù)也被廣泛采用，以提供足夠的電能并減少漏電損耗。

然而2nm制程的競爭并不僅于芯片廠商之間的較量，許多全新力量也試圖進(jìn)入戰(zhàn)局。日本成立了半導(dǎo)體公司Rapidus，邀請IBM合作研發(fā)2nm和1nm工藝。歐洲也加強了合作，邀請英特爾在歐洲建設(shè)800億的先進(jìn)制程工廠。這個少數(shù)者的游戲?qū)⒖简瀼S商的資金實力、人力技術(shù)整合能力和供應(yīng)鏈優(yōu)勢。


少數(shù)者的游戲

2nm未來主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心，作用在于，能夠讓服務(wù)器性能大幅度提升的同時，降低功耗，“既要又要”不再是可能。

尤其是，今年以來大模型初步讓行業(yè)窺探到智能涌現(xiàn)的魅力，未來要讓巨大參數(shù)底座的AI大模型落地到千行百業(yè)，行業(yè)還需要有更強有力的算力來支撐——這也解釋了，為什么英偉達(dá)如今幾乎是2nm及其以下先進(jìn)制程的最狂熱簇?fù)碚咧弧?/span>

而英偉達(dá)不僅是簡單的“用”芯片，成為臺積電2nm工藝的首批吃螃蟹的人，還在入局光刻領(lǐng)域。此前有消息稱，英偉達(dá)與臺積電、ASML、新思科技秘密準(zhǔn)備了4年，推出了用于計算光刻的軟件庫“cuLitho”，將計算光刻速率加速了40倍以上。

不僅僅是想象空間巨大的HPC，2nm芯片在手機、自動駕駛、汽車等領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。以為手機為例，相比于7nm芯片，2nm芯片的速度提高了45%，能效更是提高了75%。三星曾經(jīng)提過一個激進(jìn)的設(shè)想，未來的手機將可能是“充一次電用一周”的時代。

只是如今，先進(jìn)制程的競爭，早已經(jīng)不是一場技術(shù)戰(zhàn)那么簡單了。最近十年“摩爾定律”的攀登已經(jīng)提示：一場殘酷的芯片淘汰賽拉開了帷幕。

14nm算是第一個檻，叱咤風(fēng)云的聯(lián)合電子便就止步于此，不再往先進(jìn)制程進(jìn)發(fā)；

隨后的10nm、7nm分別是下一個分水嶺，美系芯片廠商紛紛在此滑鐵盧——代工大廠格芯就此止步，英特爾也差點迷失，而后又奮起直追；

到了5nm以下的時代，牌桌上，僅剩下三星、臺積電、英特爾還有資格比拼，這又分別代表著三股大勢力的決斗。

一些全新力量試圖卷土重來。

在半導(dǎo)體行業(yè)掉隊許久的日本，為了找回曾經(jīng)的輝煌，此前集合了索尼、豐田等8 家日本科技公司，成立了半導(dǎo)體公司Rapidus。這家公司計劃在2025年推出2nm工藝、2029 年推出1nm工藝。

不過，零基礎(chǔ)幾乎不可能完成這項任務(wù)，他們還找來了IBM做背書，借助IBM此前在2nm的技術(shù)沉淀來研發(fā)。

歐洲這邊，由于過去那么多年在芯片制造上躺平，已經(jīng)沒有了參與競爭的先頭部隊，但勝在有錢。此前19個歐盟成員國共同聲明，要以加強歐洲開發(fā)下一代處理器和半導(dǎo)體的能力進(jìn)行合作，全面沖刺2nm。歐洲方面此前還邀請了英特爾，在歐洲建了一個800億的先進(jìn)制程工廠，曲線加入戰(zhàn)爭。

2nm以下芯片制程的競爭，考驗著廠商的資金實力、人力、技術(shù)整合能力、供應(yīng)鏈優(yōu)勢等等。

這是一場少數(shù)者的游戲。