2025年即將邁入2nm，但臺積電或三星可能都不是贏家

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近日，臺積電在2022技術(shù)研討會上披露了未來先進(jìn)制程的相關(guān)信息，N3（3nm）工藝將于2022年內(nèi)量產(chǎn)，后續(xù)還將有N3E、N3P、N3X等系列，而N2（2nm）工藝將在2025年量產(chǎn)，這也是臺積電首次正式公布2nm量產(chǎn)的時(shí)間。

此前三星便已經(jīng)在2021年宣布了3nm工藝節(jié)點(diǎn)，其中3GAE（低功耗版）版已經(jīng)在2022年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而3GAP（高性能版）則會在2023年左右批量生產(chǎn)。盡管沒有在工藝路線圖上公布2nm制程的量產(chǎn)時(shí)間，不過三星代工市場策略高級副總裁MoonSoo Kang透露，2GAP工藝將會在2025年量產(chǎn)。不過當(dāng)市場期待臺積電與三星在2nm制程爭鋒時(shí)，誰也沒想到，這時(shí)來了位攪局者。

激進(jìn)的三星

盡管當(dāng)前芯片最先進(jìn)制程已經(jīng)開始向2nm邁進(jìn)，但在7nm以上的高制程工藝目前全球仍然僅有臺積電與三星。雖然英特爾也開始向7nm進(jìn)發(fā)，但按照英特爾的說法，其愛爾蘭的Fab 34晶圓廠才剛剛安裝完第一臺EUV光刻機(jī)沒多久，Intel 4工藝（即7nm工藝）預(yù)計(jì)在今年下半年量產(chǎn)。

之所以半導(dǎo)體芯片高制程工藝做的廠商這么少，一方面在于需要投入大量的資金，動輒成百上千億美元的投入，不是隨便哪家企業(yè)可以承擔(dān)的；另一方面在于市場供需上，盡管市場規(guī)模很大，但客戶并不多，有能力為企業(yè)高制程芯片買單的用戶就那么幾家，容不下太多的玩家。

也因此，市場中僅剩下臺積電、三星、英特爾等少數(shù)幾位廠商仍然在向著高制程工藝發(fā)起沖擊。

近幾年，三星的不斷加大對半導(dǎo)體的投入，并且希望在晶圓代工領(lǐng)域一舉超過臺積電。為此決定在2030年前持續(xù)投入達(dá)1160億美元，以實(shí)現(xiàn)在3nm制程上趕超臺積電，并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)芯片制造方面的領(lǐng)先。

從工藝進(jìn)度來看，三星在2020年開始量產(chǎn)5nm工藝，2021年4nm成功量產(chǎn)，2022年3nm工藝成功量產(chǎn)，并且預(yù)計(jì)到2025年達(dá)到量產(chǎn)2nm工藝的水準(zhǔn)。從時(shí)間進(jìn)度來看，三星已經(jīng)逐步趕上了臺積電。

并且在3nm制程上，近期三星更是公開了3nm制程工藝的12英寸晶圓，并且三星還將率先采用新一代GAA技術(shù)。GAA是一種新型的環(huán)繞柵極晶體管，通過納米片設(shè)備可制造出多橋－通道場效應(yīng)管MBCFET，該技術(shù)可以顯著增強(qiáng)晶體管性能，解決柵極氧化層過薄產(chǎn)生量子隧穿等效應(yīng)造成的晶體管漏電現(xiàn)象。

同時(shí)，三星與IBM聯(lián)合推出了一種新的垂直晶體管架構(gòu)VTFET，在同等功率下，VTFET晶體管提供了FinFET晶體管2倍的性能，而在等效頻率下，VTFET可以節(jié)省85%的功率。

據(jù)三星官方介紹，3nm GAA技術(shù)相比7nm制程工藝來說，邏輯面積效率提高了45%以上，功耗降低了50%，性能提高了約35%。從紙面數(shù)據(jù)來看，三星的3nm已經(jīng)勝過了臺積電，但事實(shí)果真如此嗎？

首先是三星4nm工藝的對于芯片實(shí)際性能與功耗的平衡并沒有如他們自己說得這么強(qiáng)悍，典型的例子是三星所代工生產(chǎn)的驍龍888與驍龍8 Gen 1在性能提升的同時(shí)，功耗也急劇飆升。而最新發(fā)布的驍龍8plus，采用臺積電4nm工藝，在CPU和GPU性能均有10%的提升，同時(shí)綜合功耗降低了15%，可見兩者仍存在一定的差距。

更何況三星此前在新的制程工藝上還傳出其良率只有35%，并且芯片發(fā)熱問題十分嚴(yán)重，這也勸退了不少大客戶，如英偉達(dá)、高通等。三星想要超越臺積電的道路，沒那么容易。

穩(wěn)健的臺積電

相比三星，臺積電則相對穩(wěn)健得多。比如三星決定在2030年前投入1160億美元用于半導(dǎo)體制程的研發(fā)，而臺積電在2021年便投入了300億美元，超過原有計(jì)劃的280億美元，并且表示將在今年投入的80%左右用于研發(fā)2nm等先進(jìn)制程，10%左右先進(jìn)封裝，其余則用于成熟制程的投入。

同時(shí)，三星激進(jìn)的在3nm工藝便準(zhǔn)備采用GAA技術(shù)，而臺積電要在2nm時(shí)才會選擇使用。不僅是新的晶體管結(jié)構(gòu)上，在材料上也有了較大的突破，據(jù)了解，臺積電正在研究的新材料包括二硫化鎢（WuS2）和碳納米管等二維材料。這些二維材料能夠更有效地移動電子，并讓芯片實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的計(jì)算。

二維材料的應(yīng)用也是為了解決晶體管微縮后帶來的量子效應(yīng)，解決漏電發(fā)熱、提升芯片能耗，并減小芯片面積。相比于當(dāng)前的硅材料，二維半導(dǎo)體材料天生更適用于2nm及之后的先進(jìn)制程，二硫化鎢和碳納米管是目前最具代表性的二維材料。

有了材料以及結(jié)構(gòu)，還需要擁有相應(yīng)的工具。近日，臺積電研究發(fā)展資深副總經(jīng)理米玉杰公開表示，臺積電將在2024年引進(jìn)ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光（high-NA EUV）光刻機(jī)，來應(yīng)對客戶推動創(chuàng)新的需求。

不過臺積電業(yè)務(wù)開發(fā)資深副總經(jīng)理張曉強(qiáng)表示，臺積電在2024年還不準(zhǔn)備應(yīng)用這臺high-NA EUV工具來進(jìn)行生產(chǎn)，主要的使用目的是合作伙伴進(jìn)行研究。

倒是作為近幾年重新進(jìn)入先進(jìn)晶圓代工市場的英特爾表示，會在2025年使用high-NA EUV，還表示將率先收到這臺機(jī)器。

不管如何，至少證明臺積電不管是在晶體管技術(shù)、制造材料、芯片制造設(shè)備上都已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，那么下一步就是如何去做的問題。因此就在近期，臺積電宣布計(jì)劃斥資1萬億新臺幣（約合人民幣2250億元），在中國臺灣臺中市建設(shè)一座新的晶圓廠，專門負(fù)責(zé)2nm芯片的生產(chǎn)。

目前臺積電一步步向2nm制程推進(jìn)，相比三星的激進(jìn)，臺積電則走得非常穩(wěn)健。不過這也是因?yàn)槿鞘枪ダ拚撸_積電是守擂者的原因。

意外的攪局者

就在臺積電與三星在先進(jìn)制程領(lǐng)域你追我趕，準(zhǔn)備在2025年以2nm來一決高下的時(shí)候，卻闖進(jìn)來了一位攪局者。近日，據(jù)日媒報(bào)道，美國繞開臺積電與日本合作，預(yù)計(jì)最早將于2025年在日本本土建立2nm芯片制造工廠。同時(shí)，日美兩國政府還將根據(jù)雙邊芯片技術(shù)合作伙伴關(guān)系提供支持，兩國民間企業(yè)也將在設(shè)計(jì)和量產(chǎn)方面進(jìn)行研究。

報(bào)道顯示，日本希望通過在本土生產(chǎn)的新一代半導(dǎo)體，來確保穩(wěn)定供應(yīng)。為此，日本和美國企業(yè)有望聯(lián)合成立新公司，或者日本企業(yè)可以建立一個新的制造中心，而日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省也將補(bǔ)貼部分研發(fā)費(fèi)用與資本支出，預(yù)計(jì)這一計(jì)劃在2025-2027年完成。

同時(shí)報(bào)道還指出，兩國正專注于研發(fā)媲美2nm微型化工藝的先進(jìn)半導(dǎo)體，該技術(shù)將直接生產(chǎn)安裝在量子計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心和最新智能手機(jī)中的核心部件。甚至先進(jìn)的半導(dǎo)體還將加強(qiáng)日本的安全系統(tǒng)，因?yàn)檫@決定了戰(zhàn)斗機(jī)與導(dǎo)彈等武器的性能。

目前，日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)公司正在與東京電子、佳能等設(shè)備公司開發(fā)包括2nm在內(nèi)的先進(jìn)線制造技術(shù)，而去年便成功測試2nm的IBM和進(jìn)行2nm研發(fā)的英特爾正在參與該項(xiàng)目，這些公司都極有可能被列入美日聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目中來。

有意思的是，不管是臺積電、三星還是美日聯(lián)合公司，都將實(shí)現(xiàn)2nm制程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)放在了2025年，比較意外的是美日方面是如何能夠做到2nm制程的。要知道此前即便是英特爾，也只是長期耕耘10nm，如今短短5年便直接跑向2nm，進(jìn)度驚人。

或許是因?yàn)檫@一原因，近日臺積電拒絕了歐盟的邀請。有國外媒體報(bào)道，在歐盟鼓勵臺灣企業(yè)在歐洲生產(chǎn)芯片之際，臺積電董事長劉德音針對海外布局給出回應(yīng)稱，公司目前還沒有在歐洲建廠的具體計(jì)劃。

寫在最后

如今臺積電與三星奮力向2nm制程發(fā)起沖擊，挑戰(zhàn)人類技術(shù)的極限，但可能最后的贏家卻不是他們。隨著美日開始入局先進(jìn)制程領(lǐng)域，依靠自身雄厚的資本以及先進(jìn)的原材料與設(shè)備，極有可能在幾年時(shí)間內(nèi)便實(shí)現(xiàn)2nm的量產(chǎn)，與臺積電、三星處于同一起跑線。

按照美國一切以自身利益為優(yōu)先的性格，一旦有了本土的先進(jìn)工藝制造產(chǎn)線，對于臺積電與三星的訂單也將造成一定的擠壓。當(dāng)然，即便沒有了美國與日本市場，但中國仍然是一個開放且最合適的合作伙伴，目前距離2025年還有一段時(shí)間，或許三星與臺積電可以再思考下未來的發(fā)展方向。