距離摩爾定律的極限越來越近，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High-NA EUV光刻機(jī)首次開箱面世。這臺總重約150噸、需250個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，臺積電是跑得最快的選手。

據(jù)臺灣《工商時報》3月29日報道，臺積電2納米制程布局全線提速，公司位于新竹寶山Fab20 P1廠將于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)計臺積電寶山P1、P2及高雄三座先進(jìn)制程晶圓廠均于2025年量產(chǎn)，吸引蘋果、英偉達(dá)、AMD及高通等客戶爭搶產(chǎn)能。

雖然臺積電回復(fù)媒體稱不發(fā)表評論，但按照公司2022年7月在投資者會議上公布的路線圖，2納米制程將在2024年試產(chǎn)，2025年量產(chǎn)。臺積電正按規(guī)劃時間表如期于今年開啟2納米芯片的生產(chǎn)。

除臺積電外，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

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個月便會增加一倍，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)越來越小。

2納米最早出現(xiàn)在2021年。IBM當(dāng)時發(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納米制程芯片從實驗室到量產(chǎn)，還需要一段時間。

在芯片制程尺寸不斷縮小的過程中，芯片廠商需要解決的問題更多，例如漏電。在臺積電為2納米芯片設(shè)計的技術(shù)方案中，首次用上了GAAFET架構(gòu)。GAAFET架構(gòu)全稱全包圍柵場效應(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側(cè)面，而非傳統(tǒng)的三個，能夠讓晶體管繼續(xù)縮小下去而不漏電，從而允許在降低運行功率的情況下顯著提高性能。

類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納米開始，GAAFET與背部供電將會成為行業(yè)標(biāo)配。

長期關(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)兩個階段。芯片廠首先在實驗室不計代價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)部門就會接手，依次進(jìn)行風(fēng)險試產(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，為保持足夠快的迭代節(jié)奏，芯片廠商會保持“量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代”的工作流程。

據(jù)《財經(jīng)十一人》此前報道，臺積電一般會有三個團(tuán)隊，同步開展三代制程的研究。一個團(tuán)隊從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個團(tuán)隊從事2納米制程的研發(fā)，還有一個團(tuán)隊會進(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)隊就會跳到1.5納米的團(tuán)隊加入研發(fā)，1.5納米的團(tuán)隊就跳往下一代更小制程的路徑研發(fā)，如此滾動接力。因此外界看來每兩年推出一代先進(jìn)制程的周期，內(nèi)部布局常常有五六年之久。

按照三星、臺積電、英特爾三家已經(jīng)公布的時間表，2納米將在2025年實現(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)測摩爾定律的極限將于2025年左右到來，臺積電創(chuàng)始人張忠謀也持有同一觀點。


2nm晶圓廠最快年內(nèi)建成？

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

隨著這一時間逐漸臨近，全球2nm晶圓廠建設(shè)加速進(jìn)行中。

近期，國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）對外表示，預(yù)計臺積電與英特爾兩家大廠有望今年年底之前建成2nm晶圓廠。

其中英特爾有望率先實現(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，臺積電2nm工藝將有望應(yīng)用于蘋果iPhone AP芯片中，后續(xù)臺積電2nm產(chǎn)能將大幅上升。

另據(jù)臺媒報道，臺積電2nm制程設(shè)備安裝加速，臺積電新竹寶山Fab20 P1廠計劃于今年4月進(jìn)行設(shè)備安裝工程，有望于下半年開始試產(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)隊聯(lián)合宣布已打開EXE:5000光刻機(jī)的光源，并使光線到達(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，英特爾又對外分享視頻，展示了首臺High-NA EUV 光刻機(jī)交付過程，相關(guān)組件通過空運從荷蘭運到美國，相比海運進(jìn)一步縮短了交貨時間。


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。外界稱這種新的EUV光刻機(jī)是High-NA系統(tǒng)，之前的稱之為Low-NA系統(tǒng)。

ASML之前就表示過，當(dāng)NA提升到0.55之后， 基本無法現(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)，未來能不能提升，ASML自己也沒有信心了。

這種光刻機(jī)，能夠用于2nm及以下芯片的制造，因為NA更高，分辨率就更高，工藝制程就能更低，據(jù)稱最低可以實現(xiàn)到1nm以下芯片的制造。這種NA=0.55的光刻機(jī)，重150噸（15萬公斤），運輸?shù)臅r候，需要250個集裝箱盒子，同時在拆開運到目的地之后，需要250個工人，安裝調(diào)試6個月（180天）之久，才能夠全部安裝完成。

目前臺積電、三星兩家已經(jīng)實現(xiàn)了3nm工藝，按照規(guī)劃，這兩家晶圓廠，將會在2025年實現(xiàn)2nm，而intel則表示將在2024年實現(xiàn)2nm工藝。

所以不用懷疑，這種新一代的EUV光刻機(jī)，一定會再次遭到幾大晶圓廠的瘋搶，因為大家都想在2nm時候，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，自己已經(jīng)收到幾大客戶關(guān)于新EUV光刻機(jī)的訂單，數(shù)量大約是20個左右。而未來它要爭取能夠每年生產(chǎn)20個這樣的光刻系統(tǒng)。而這種光刻機(jī)，一臺價格大約在3.8億美元，20臺就是76億美元，算下來就是540億元人民幣。而上一代EUV光刻機(jī)的價格只有1.8億美元左右。

和上一代光刻機(jī)相比，每臺高出2億美元，20臺就是40億美元，相當(dāng)于290億元，ASML真的是大賺特賺了，因為新一代的成本，肯定不會提升100%吧。