距離摩爾定律的極限越來(lái)越近，行業(yè)已經(jīng)走到隧道的盡頭，半導(dǎo)體技術(shù)將變得更加難以發(fā)展，2納米將會(huì)是芯片巨頭搶灘的關(guān)鍵一戰(zhàn)。

今年1月，荷蘭ASML生產(chǎn)的第一臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)首次開(kāi)箱面世。這臺(tái)總重約150噸、需250個(gè)集裝箱才能裝下的龐然巨物，可將世界上最先進(jìn)的芯片制程從3納米進(jìn)一步縮小至2納米。它的出現(xiàn)也打響了半導(dǎo)體廠(chǎng)商量產(chǎn)2納米芯片的第一槍。

作為全球排名第一的晶圓代工廠(chǎng)，臺(tái)積電是跑得最快的選手。

據(jù)臺(tái)灣《工商時(shí)報(bào)》3月29日?qǐng)?bào)道，臺(tái)積電2納米制程布局全線(xiàn)提速，公司位于新竹寶山Fab20 P1廠(chǎng)將于4月進(jìn)行設(shè)備安裝工程，為其2納米芯片量產(chǎn)熱身準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)臺(tái)積電寶山P1、P2及高雄三座先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)均于2025年量產(chǎn)，吸引蘋(píng)果、英偉達(dá)、AMD及高通等客戶(hù)爭(zhēng)搶產(chǎn)能。

雖然臺(tái)積電回復(fù)媒體稱(chēng)不發(fā)表評(píng)論，但按照公司2022年7月在投資者會(huì)議上公布的路線(xiàn)圖，2納米制程將在2024年試產(chǎn)，2025年量產(chǎn)。臺(tái)積電正按規(guī)劃時(shí)間表如期于今年開(kāi)啟2納米芯片的生產(chǎn)。

除臺(tái)積電外，2納米賽道上也出現(xiàn)了三星、英特爾追趕的身影。


2納米變成新戰(zhàn)場(chǎng)

按照半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)典的摩爾定律，集成電路可容納的晶體管數(shù)目，每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能相應(yīng)也增加一倍。大眾所知的幾納米通常指代晶體管的尺寸，為在集成電路上盡可能容納更多的晶體管，從10納米到7納米，再到5納米、3納米，晶體管尺寸越做越小，芯片也相應(yīng)越來(lái)越小。

2納米最早出現(xiàn)在2021年。IBM當(dāng)時(shí)發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片。根據(jù)官方資料介紹，IBM的這顆2納米制程芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上，與7納米制程的芯片相比，其運(yùn)算速度將快45%，效率則將提高75%。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為IBM作為研究機(jī)構(gòu)，尚不具備量產(chǎn)的能力，2納米制程芯片從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，還需要一段時(shí)間。

在芯片制程尺寸不斷縮小的過(guò)程中，芯片廠(chǎng)商需要解決的問(wèn)題更多，例如漏電。在臺(tái)積電為2納米芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)方案中，首次用上了GAAFET架構(gòu)。GAAFET架構(gòu)全稱(chēng)全包圍柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，與突破14納米制程以下沿用的FinFET架構(gòu)不同，GAAFET利用柵電極覆蓋電流通道的四個(gè)側(cè)面，而非傳統(tǒng)的三個(gè)，能夠讓晶體管繼續(xù)縮小下去而不漏電，從而允許在降低運(yùn)行功率的情況下顯著提高性能。

類(lèi)似具有里程碑意義的方案還包括晶圓背面供電。較于傳統(tǒng)正面供電，這項(xiàng)技術(shù)能夠降低電壓降，從而減少功耗，顯著提升芯片性能的表現(xiàn)。

此前，三星已經(jīng)在其3納米制程上采用了上述兩項(xiàng)技術(shù)方案，英特爾也在持續(xù)跟進(jìn)。多位產(chǎn)業(yè)人士表示，從2納米開(kāi)始，GAAFET與背部供電將會(huì)成為行業(yè)標(biāo)配。

長(zhǎng)期關(guān)注半導(dǎo)體制程工藝的全德學(xué)投資總監(jiān)方亮向界面新聞介紹，每一代制程在內(nèi)部大致分研發(fā)與量產(chǎn)兩個(gè)階段。芯片廠(chǎng)首先在實(shí)驗(yàn)室不計(jì)代價(jià)地投入制造出少量的晶圓，緊接著掌握技術(shù)、提升良率至30%-40%；然后量產(chǎn)部門(mén)就會(huì)接手，依次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)、小規(guī)模量產(chǎn)，再到大規(guī)模量產(chǎn)，不斷推高良率并提升產(chǎn)能。等到芯片良率達(dá)到60%-70%左右，就可以基本保證“商業(yè)化階段湊活夠用”。

當(dāng)一家芯片廠(chǎng)商在某代制程芯片上可以保持80%以上的良率，月產(chǎn)能攀升至10萬(wàn)片，它就基本能在這一代先進(jìn)制程工藝上站穩(wěn)腳跟。

同時(shí)，為保持足夠快的迭代節(jié)奏，芯片廠(chǎng)商會(huì)保持“量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲(chǔ)備一代”的工作流程。

據(jù)《財(cái)經(jīng)十一人》此前報(bào)道，臺(tái)積電一般會(huì)有三個(gè)團(tuán)隊(duì)，同步開(kāi)展三代制程的研究。一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事2納米制程的研發(fā)，還有一個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)行1.5納米制程路徑的研發(fā)。3納米制程量產(chǎn)后，3納米制程的團(tuán)隊(duì)就會(huì)跳到1.5納米的團(tuán)隊(duì)加入研發(fā)，1.5納米的團(tuán)隊(duì)就跳往下一代更小制程的路徑研發(fā)，如此滾動(dòng)接力。因此外界看來(lái)每?jī)赡晖瞥鲆淮冗M(jìn)制程的周期，內(nèi)部布局常常有五六年之久。

按照三星、臺(tái)積電、英特爾三家已經(jīng)公布的時(shí)間表，2納米將在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而該年被行業(yè)視作一道分水嶺。隨著芯片尺寸越做越小，每一代制程的成本投入更大，性能提升的幅度反而更小。

摩爾定律的提出者、已故的英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾曾預(yù)測(cè)摩爾定律的極限將于2025年左右到來(lái)，臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀也持有同一觀點(diǎn)。


2nm晶圓廠(chǎng)最快年內(nèi)建成？

當(dāng)前3nm工藝為業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的制程技術(shù)，與此同時(shí)臺(tái)積電、三星、英特爾、Rapidus等廠(chǎng)商積極推動(dòng)2nm晶圓廠(chǎng)建設(shè)，臺(tái)積電、三星此前曾規(guī)劃2nm芯片將于2025年量產(chǎn)，Rapidus則計(jì)劃2nm芯片將于2025年開(kāi)始試產(chǎn)。

隨著這一時(shí)間逐漸臨近，全球2nm晶圓廠(chǎng)建設(shè)加速進(jìn)行中。

近期，國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）對(duì)外表示，預(yù)計(jì)臺(tái)積電與英特爾兩家大廠(chǎng)有望今年年底之前建成2nm晶圓廠(chǎng)。

其中英特爾有望率先實(shí)現(xiàn)2nm芯片商用，英特爾PC CPU Arrow Lake產(chǎn)品將采用2nm制程工藝節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電2nm工藝將有望應(yīng)用于蘋(píng)果iPhone AP芯片中，后續(xù)臺(tái)積電2nm產(chǎn)能將大幅上升。

另?yè)?jù)臺(tái)媒報(bào)道，臺(tái)積電2nm制程設(shè)備安裝加速，臺(tái)積電新竹寶山Fab20 P1廠(chǎng)計(jì)劃于今年4月進(jìn)行設(shè)備安裝工程，有望于下半年開(kāi)始試產(chǎn)，2025年二季度小量生產(chǎn)。

英特爾方面，去年年底ASML已將全球首臺(tái)高數(shù)值孔徑 High NA EUV EXE:5200交付給了英特爾，助力后者生產(chǎn)2nm芯片。隨后英特爾開(kāi)啟了光刻機(jī)調(diào)試工作，并且進(jìn)展順利。

今年2月英特爾和ASML技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)聯(lián)合宣布已打開(kāi)EXE:5000光刻機(jī)的光源，并使光線(xiàn)到達(dá)抗蝕劑。業(yè)界表示，這是光刻機(jī)正式投入使用前的一項(xiàng)重要準(zhǔn)備工作，代表光刻機(jī)的光源已經(jīng)正常工作了。此后，英特爾又對(duì)外分享視頻，展示了首臺(tái)High-NA EUV 光刻機(jī)交付過(guò)程，相關(guān)組件通過(guò)空運(yùn)從荷蘭運(yùn)到美國(guó)，相比海運(yùn)進(jìn)一步縮短了交貨時(shí)間。


ASML才是最大贏家

英特爾已經(jīng)拿到了ASML最新的2nm芯片EUV光刻機(jī)。這種EUV光刻機(jī)型號(hào)叫做EXE:5200，和之前的EUV光刻機(jī)相比，最大變化是數(shù)值孔徑NA，從低數(shù)值0.33，變成了現(xiàn)在的0.55。外界稱(chēng)這種新的EUV光刻機(jī)是High-NA系統(tǒng)，之前的稱(chēng)之為L(zhǎng)ow-NA系統(tǒng)。

ASML之前就表示過(guò)，當(dāng)NA提升到0.55之后， 基本無(wú)法現(xiàn)提升了，所以ASML認(rèn)為這種光刻機(jī)，可能是最后一代EUV光刻機(jī)，未來(lái)能不能提升，ASML自己也沒(méi)有信心了。

這種光刻機(jī)，能夠用于2nm及以下芯片的制造，因?yàn)镹A更高，分辨率就更高，工藝制程就能更低，據(jù)稱(chēng)最低可以實(shí)現(xiàn)到1nm以下芯片的制造。這種NA=0.55的光刻機(jī)，重150噸（15萬(wàn)公斤），運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候，需要250個(gè)集裝箱盒子，同時(shí)在拆開(kāi)運(yùn)到目的地之后，需要250個(gè)工人，安裝調(diào)試6個(gè)月（180天）之久，才能夠全部安裝完成。

目前臺(tái)積電、三星兩家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3nm工藝，按照規(guī)劃，這兩家晶圓廠(chǎng)，將會(huì)在2025年實(shí)現(xiàn)2nm，而intel則表示將在2024年實(shí)現(xiàn)2nm工藝。

所以不用懷疑，這種新一代的EUV光刻機(jī)，一定會(huì)再次遭到幾大晶圓廠(chǎng)的瘋搶?zhuān)驗(yàn)榇蠹叶枷朐?nm時(shí)候，占據(jù)先機(jī)，搶奪更多的產(chǎn)能，成為晶圓制造的老大。

所以近日，ASML表示稱(chēng)，自己已經(jīng)收到幾大客戶(hù)關(guān)于新EUV光刻機(jī)的訂單，數(shù)量大約是20個(gè)左右。而未來(lái)它要爭(zhēng)取能夠每年生產(chǎn)20個(gè)這樣的光刻系統(tǒng)。而這種光刻機(jī)，一臺(tái)價(jià)格大約在3.8億美元，20臺(tái)就是76億美元，算下來(lái)就是540億元人民幣。而上一代EUV光刻機(jī)的價(jià)格只有1.8億美元左右。

和上一代光刻機(jī)相比，每臺(tái)高出2億美元，20臺(tái)就是40億美元，相當(dāng)于290億元，ASML真的是大賺特賺了，因?yàn)樾乱淮某杀?，肯定不?huì)提升100%吧。