近日，格芯以非法使用知識產(chǎn)權(quán)和商業(yè)秘密為由起訴了美國IBM。而日本Rapidus公司計劃利用IBM提供的技術(shù)，在日本國內(nèi)再次量產(chǎn)先進(jìn)產(chǎn)品，而這里的先進(jìn)產(chǎn)品指的就是2納米芯片。

雖然3納米還未得到普及，但是產(chǎn)業(yè)圍繞2納米的討論卻一直熱烈。為了發(fā)展2納米制程，不只晶圓廠摩拳擦掌，芯片制造設(shè)備公司也已經(jīng)將2納米的設(shè)備提上日程。據(jù)TechNews的報道，光刻機(jī)大廠ASML 已向臺灣地區(qū)相關(guān)部門申請研發(fā)補(bǔ)貼，以資助2 納米晶圓光學(xué)測量設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn)。

官司打起來了，ASML也動起來了，2納米似乎真的離我們不遠(yuǎn)了。

01 2納米的主要競爭者

以目前臺積電在晶圓制造領(lǐng)域的地位來看，行業(yè)對臺積電的2納米自然是最期待的。與此同時，2納米也是行業(yè)所期待的代工市場轉(zhuǎn)折點。ICVIEWS盤點了目前公布2納米計劃的市場參與者的規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)各家2納米的問世時間基本都規(guī)劃在了2025年，同時結(jié)構(gòu)方面都選擇了GAA。如果各公司的研發(fā)可以順利進(jìn)行，在不久之后，或許可以看到先進(jìn)制程市場的百花齊放。

臺積電2納米 2025年如期上線

2022 年技術(shù)研討會上，臺積電正式公布了其 N2（2 納米級）制造技術(shù)，當(dāng)時臺積電表示該技術(shù)計劃于 2025 年某個時間投入生產(chǎn)，并將成為臺積電第一個使用其基于納米片的柵極全方位場效應(yīng)的節(jié)點晶體管（GAAFET）。新節(jié)點將使芯片設(shè)計人員能夠顯著降低其產(chǎn)品的功耗，根據(jù)臺積電公布的N2技術(shù)指標(biāo)，可以看到，相較于其N3E（3納米的低成本版）工藝，在相同功耗下，臺積電2納米工藝的性能將提升10%～15%；而在相同性能下，臺積電2納米工藝的功耗將降低23%～30%；晶體管密度提升10%。

在近日召開的Q1季度財報會上，臺積電表示客戶對2納米工藝熱情高漲，并且重申2納米將按計劃在2025年量產(chǎn)，同時臺積電也表示原本計劃建立成熟制程的高雄廠未來將改成先進(jìn)制程。從目前臺積電透露的信息來看，臺積電對于2納米能按時交付頗有自信。

三星向臺積電看齊

已經(jīng)量產(chǎn)3納米的三星與臺積電對2納米上線的規(guī)劃時間一樣，都是目標(biāo)是到 2025 年大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)的 2納米技術(shù)芯片，同時三星也宣布計劃到 2027 年大規(guī)模生產(chǎn) 1.4納米 芯片。不同于臺積電在2納米開始選擇GAA，三星從3納米制程就開始使用GAA結(jié)構(gòu)。所以相對于臺積電，三星似乎在新結(jié)構(gòu)方面會更有經(jīng)驗，這也成為三星在2納米制程中的節(jié)點的優(yōu)勢之一。

英特爾2納米 計劃2024年問世

自2021年初帕特·基辛格出任CEO，英特爾提出了包括Intel 7、4、3、20A、18A在內(nèi)的五大先進(jìn)制程路線圖。2022年，有消息稱基于Intel 20A工藝的Arrow Lake已經(jīng)有內(nèi)測芯片流片，2023年3月臺灣媒體表示，英特爾全球高級副總裁兼中國區(qū)董事長王銳透露，Intel20A（業(yè)界的2納米制程）和Intel 18A（相當(dāng)于1.8納米制程）已經(jīng)流片。

這一進(jìn)度符合英特爾在規(guī)劃中提出的intel20A 2024年上半年投產(chǎn)，那么或許也可以期待Intel18A 2024年下半年投產(chǎn)。目前來看，英特爾的2納米有望最早問世。

2納米制程的黑馬Rapidus

除了代工的三大巨頭，一家日本公司也聲勢浩大地加入了2納米的競爭。

2022年8月，8家日本頂級企業(yè)：索尼、豐田汽車、日本電信電話、日本電氣、日本電裝、軟銀、鎧俠和三菱日聯(lián)銀行分別出資3億-10億日元不等，合資打造了這家定位高端芯片公司。同年12月，IBM宣布將與Rapidus合作計劃于2025年在日本啟動2納米制程制造基地。

IBM的加入讓Rapidus的計劃看起來更加有希望，IBM雖然已經(jīng)不再是IDM公司，但仍保留了一家芯片制造研發(fā)中心。而在2021年，IBM推出全球首款2納米制程的芯片。同樣IBM的2納米也使用了GAA結(jié)構(gòu)。所以，可以說Rapidus雖然起步晚了一些，但在2納米制程方面也有了底氣。

02 2納米的糧草：都在路上

兵馬未動，糧草先行。2納米芯片的制造也離不開設(shè)備、材料等其他環(huán)節(jié)的研究。

ASML準(zhǔn)備好了嗎？

光刻機(jī)作為芯片制造中最關(guān)鍵的設(shè)備，ASML成為代工廠們競相追逐的對象。畢竟當(dāng)下全球范圍內(nèi)，僅有ASML能供應(yīng)7納米以下的EUV。

在 2022 SPIE 高級光刻會議上，ASML介紹了 EUV 的最新進(jìn)展。根據(jù) ASML 最新消息，新款 EUV 光刻機(jī)正在研發(fā)中，NA 將從 0.33 增加到 0.55（NA 是光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，表示光線的入射角度），2納米工藝的芯片都將依賴其實現(xiàn)。與 EXE:5000 相比，EXE:5200 預(yù)計將帶來幾項改進(jìn)，包括更高的生產(chǎn)率等等。

2022年 1 月 19 日，英特爾向 ASML 訂購了最新款高 NA EXE:5200 光刻機(jī)。英特爾稱，公司將成為 ASML 第一臺 EXE:5200 的買家。隨后，臺積電、三星也有所動作。在2022年 6 月 17 日舉行的技術(shù)研討會上，臺積電研發(fā)高級副總裁米玉杰透露，臺積電將在 2024 年引入ASML的最新機(jī)器。三星電子的實際負(fù)責(zé)人李在镕也已經(jīng)到訪荷蘭光刻機(jī)龍頭ASML。

二維材料，成2納米的新寵

對于2納米需要的新型材料，二維材料是目前半導(dǎo)體行業(yè)所關(guān)注的重點。

在2021年年臺積電就曾透露將在2納米節(jié)點采用新的二維材料。當(dāng)時，臺積電表示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，并讓芯片實現(xiàn)更節(jié)能的計算。

和晶體管結(jié)構(gòu)的變化類似，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，二維材料厚度可小于1納米，相當(dāng)于一至三層原子，逼近固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。二維半導(dǎo)體材料天生更適用于2納米及之后的先進(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。

近日，臺積電和麻省理工（MIT）共同提出了一項有關(guān)鉍的研究。據(jù)介紹，半金屬鉍（Bismuth，化學(xué)符號Bi）則有望成為二維材料（2D materials）的接觸電極。

晶圓的背面：背面供電技術(shù)

隨著摩爾定律逼近極限，晶圓制造的研究正在尋找新的角度。

IMEC在2022年IEEE VLSI技術(shù)和電路研討會上，展示了通過納米硅通孔（nTSV）在埋地電源軌（BPR）上的進(jìn)行背面供電。IMEC稱，這是未來基于2納米制程的2.5D和3D芯片的關(guān)鍵技術(shù)，該方案將在系統(tǒng)層面提高芯片整體供電性能，避免受到功率密度提升和電源電壓下降的影響。目前三星、臺積電、英特爾都透露將在2納米制程中使用背面供電技術(shù)。

此外，隨著芯片制程演進(jìn)和晶體管結(jié)構(gòu)的改變，新的互連技術(shù)被業(yè)內(nèi)視作2納米制程中降低整體電阻和RC延遲的關(guān)鍵。臺積電和三星電子也十分看重互連技術(shù)對先進(jìn)制程的影響，均在各自的先進(jìn)封裝技術(shù)中有所布局。臺積電的芯片互連技術(shù)路線圖更是拓展到了2035年，要在2035年前實現(xiàn)1μm以內(nèi)的SoIC互連。

03 3納米市場怎么樣？

業(yè)界都在關(guān)心2納米，不過眼前3納米的市場怎么樣呢？

有觀點認(rèn)為三星和臺積電都在3納米上花了不少心思，但從過去的新聞和廠商的公告可以看到，似乎大家都對第一代的3納米工藝不感興趣。例如市場上一度傳言，蘋果會成為臺積電第一代3納米工藝的唯一客戶。不過，這家美國巨頭迄今都沒有公布其3納米產(chǎn)品。

本月美國芯片公司Marvell表示，公司基于臺積電3 納米工藝打造的數(shù)據(jù)中心芯片正式發(fā)布。這也是臺積電的首款已公布的3納米芯片，據(jù)Marvell介紹，公司在該節(jié)點中的業(yè)界首創(chuàng)硅構(gòu)建模塊包括 112G XSR SerDes（串行器/解串行器）、Long Reach SerDes、PCIe Gen 6 / CXL 3.0 SerDes 和 240 Tbps 并行芯片到芯片互連。

臺積電的3納米終于迎來了大客戶，但是并不是想象中的蘋果。而對比之下，三星的首個客戶是一家挖礦的ASIC芯片公司。但之后尚沒有公開信息表明三星的3納米有哪些大客戶下單，如果找不到外部客戶下單，或許三星的客戶只能是自己。

另外一家巨頭英特爾還沒有公布3納米量產(chǎn)的官方消息，目前已知英特爾計劃在 2023 年底推出其 3納米 等效工藝節(jié)點。這些晶圓專為服務(wù)器級至強(qiáng)芯片設(shè)計。第 5 代 Xeon Emerald Rapids-SP 將采用 Intel 3 工藝制造。Emerald Rapids 將在 Sapphire Rapids 一年內(nèi)作為軟更新推出。與三星相比，英特爾在服務(wù)器芯片的市場份額，讓英特爾的3納米不會“愁賣”。當(dāng)然這也要看到時候英特爾的產(chǎn)能與良率能否按照預(yù)期規(guī)劃，滿足英特爾服務(wù)器客戶的需求。

04 寫在最后

自從缺芯潮開始以來，市場對于先進(jìn)制程和成熟制程的重要性就一直進(jìn)行著討論。“成熟制程的產(chǎn)品產(chǎn)能不足”和“先進(jìn)制程的產(chǎn)品市場需求突然下滑”成為同時發(fā)生的現(xiàn)狀。盡管如此，科技在不斷地進(jìn)步，隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，對2納米、1納米的新制程的需求沒有停止。2納米會來的，而2納米帶來的新世界更值得期待。