相比成熟制程，近年隨著AI、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用驅(qū)動，先進(jìn)制程成為了業(yè)界“香餑餑”。細(xì)觀晶圓代工產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)，從研發(fā)、爭搶先進(jìn)設(shè)備、再到搶單，臺積電、三星、英特爾等大廠動作不斷，同時(shí)新軍Rapidus正強(qiáng)勢入局，可見先進(jìn)制程之戰(zhàn)已悄然打響，并愈演愈烈。


從搶單開始，2nm戰(zhàn)況如何？

隨著GPU、CPU等高性能芯片不斷對芯片制程提出了更高的要求，突破先進(jìn)制程技術(shù)壁壘已是業(yè)界的共同目標(biāo)。目前放眼全球，掌握先進(jìn)制程技術(shù)的企業(yè)主要為臺積電、三星、英特爾等大廠。

據(jù)TrendForce集邦咨詢12月6日研究顯示，2023年第三季全球前十大晶圓代工市場中，臺積電以57.9%的市占率占據(jù)全球第一的位置，而三星以12.4的市占率位居全球第二，英特爾（IFS）位居全球第九位，市占率為1%。

多年來，臺積電一直是晶圓代工產(chǎn)業(yè)的半壁江山，同時(shí)還手握著英偉達(dá)、蘋果、高通等下游廠商多數(shù)訂單，并成為人工智能芯片供應(yīng)商的主要純晶圓代工合作伙伴。其中，按英偉達(dá)此前披露的營收計(jì)算，臺積電是全球最大的芯片代工制造商，也是英偉達(dá)高性能AI芯片的獨(dú)家生產(chǎn)商。

不過，業(yè)界推測，接下來英特爾或?qū)⒋蚱飘?dāng)下臺積電獨(dú)家代工英偉達(dá)高性能AI芯片的狀況。英偉達(dá)首席財(cái)務(wù)官柯蕾絲（Colette Kress）近日在參加瑞銀全球科技大會時(shí)暗示，英偉達(dá)不排除增加英特爾代工（IFS）作為其晶圓代工供應(yīng)商，生產(chǎn)新一代芯片。

而近期臺積電和三星也是動作頻頻。臺積電先是向蘋果和英偉達(dá)展示產(chǎn)品測試結(jié)果，后又拿下了蘋果訂單。據(jù)英國金融時(shí)報(bào)引述知情人士透露，臺積電已向蘋果和英偉達(dá)等大客戶展示N2（即2nm）原型的制程工藝測試結(jié)果。

另據(jù)中國臺灣工商時(shí)報(bào)報(bào)道，在全球芯片大廠爭相發(fā)展2納米制程之際，臺積電再度勝出搶下蘋果訂單，預(yù)計(jì)2025年上市的iPhone 17 Pro將率先采用臺積電2納米芯片。

此外，近日臺媒引述消息人士稱，英偉達(dá)已向臺積電下單銷往中國大陸的人工智能處理器，這些訂單是SHR (Super Hot Run，超級急件)，計(jì)劃于2024年第一季度開始履行。

三星方面，消息稱三星已拿到了高通的訂單，高通已計(jì)劃下一代高端手機(jī)芯片采用三星SF2（2nm）制程生產(chǎn)。同時(shí)，三星將推出2nm原型，并開出折扣價(jià)，以吸引英偉達(dá)等客戶。

針對三星在2nm制程采降價(jià)搶單的傳聞，臺積電董事長劉德音向業(yè)界表示“客戶還是看技術(shù)的質(zhì)量”，透露出對臺積電先進(jìn)制程技術(shù)與良率優(yōu)勢的信心。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露臺積電即將敲定其未來3nm和2nm客戶，客戶不太可能轉(zhuǎn)移訂單。除了蘋果之外，AMD、英偉達(dá)、博通、聯(lián)發(fā)科和高通也是臺積電3nm和2nm芯片的客戶。這些主要客戶不太可能在2027年之前減少臺積電3nm和2nm晶圓的開工量。


2nm戰(zhàn)火，先從30億的光刻機(jī)燒起

全球2nm以下制程的硝煙，如今從最核心的元器件光刻機(jī)開始燒起——光刻機(jī)，可以說是芯片制程向上攀登的阿喀琉斯之踵。

光刻機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)投影系統(tǒng)，作用是將所要打印的芯片藍(lán)圖收縮、聚焦到硅片上。說起來容易，做起來卻很難，ASML的光刻機(jī)此前一直在先進(jìn)制程的演進(jìn)中扮演著相當(dāng)重要的作用。

正如2017年7nm芯片量產(chǎn)之時(shí)，行業(yè)內(nèi)摩爾定律終結(jié)的聲音不絕于耳，但 ASML掏出的EUV光刻機(jī)使得芯片突破了物理極限的限制，硬生生又給摩爾定律又續(xù)了十年命。到了如今2nm的節(jié)點(diǎn)，ASML依舊發(fā)揮著救火作用。

今年年初，ASML給行業(yè)釋放了一則好消息，他們收到了供應(yīng)商提供的第一個(gè)高數(shù)值孔徑機(jī)械投影光學(xué)器件、照明器、晶圓載物臺等一系列設(shè)備——翻譯過來就是，這些模塊能幫助ASML交付適用于2nm芯片的高數(shù)值孔徑（High-NA） EUV光刻機(jī)。

未來若落地，這種光刻機(jī)不管是體積還是成本，都相當(dāng)恐怖——ASML方面曾稱，它大概有一臺卡車那么龐大，每臺的成本超過了3億歐元（折合24億元）。

這并沒有阻礙芯片巨頭們的搶購熱情。此前據(jù)Digitimes消息，ASML在2024年只計(jì)劃生產(chǎn)10臺2nm設(shè)備，但當(dāng)中的6臺已經(jīng)被手快的英特爾提前鎖定。

問題是，各家的2nm制程量產(chǎn)時(shí)間基本鎖定在2025年，如果消息成真，意味著ASML能勻給臺積電和三星的光刻機(jī)數(shù)量已經(jīng)不多。

焦慮的三星，直接請出了韓國總統(tǒng)出手。12月初，三星社長李在镕緊急去了一趟荷蘭拜訪ASML，還拉上了韓國總統(tǒng)尹錫悅同行。兩家公司簽署了一份歷史性的協(xié)議，將共同出資7億美元（折合人民幣56億元），在韓國投建工廠。

共同建廠實(shí)現(xiàn)利益綁定只是幌子，三星醉翁之意是，希望從ASML那獲得更多的高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)。

芯片行業(yè)苦光刻機(jī)久矣，先進(jìn)制程攀登的過程，行業(yè)中也出現(xiàn)了下一代光刻機(jī)技術(shù)的先鋒探索。在今年10月份，佳能就號稱通過納米壓印（NIL），將有可能承擔(dān)2nm芯片制程的生產(chǎn)。

納米壓印完全是和光刻完全不同的技術(shù)路線——如前文所說，光刻更像“投影”，那么納米壓可以用“蓋印”來比喻。

根據(jù)佳能方面的說法，他們先將掩摸壓到晶圓上，掩模的作用有點(diǎn)像”印泥“，用來復(fù)制轉(zhuǎn)移電路。隨后，再向上噴墨，把掩模印在新的晶圓上進(jìn)行曝光。

如果能夠?qū)崿F(xiàn)，對于行業(yè)這將會是一個(gè)巨大的沖擊。納米壓印的技術(shù)優(yōu)勢更大，不僅設(shè)備更小、功耗更低，光源也更便宜，造價(jià)更低。

佳能的美好暢想足夠抓人，但最后能否落地還需要時(shí)間考驗(yàn)。2nm制程的競爭，不僅僅是芯片廠商的斗爭那么簡單，上游同樣焦灼。


2nm決戰(zhàn)各類技術(shù)革新

要制造出2nm芯片，芯片廠商還在持續(xù)挑戰(zhàn)更先進(jìn)的芯片技術(shù)。GAA（Gate All Around，全環(huán)柵型晶體管技術(shù)）是當(dāng)前一項(xiàng)核心科技。

芯片里面的晶體管，可以拆解為三個(gè)模塊：源極、柵極、漏極——電離子從源極出發(fā)、穿越柵極、進(jìn)入漏極，構(gòu)成一個(gè)完整回路。柵極，可以簡單想象成晶體管與晶體管之間的一個(gè)門、一塊隔板，起到了把控電離子流向的作用。

在7nm的時(shí)代，行業(yè)中一般采用FinFET工藝。在這個(gè)工藝下，源極和漏極被做成了一整片“魚鰭”的樣子，直直穿過柵極。這樣，柵極才能牢牢把控電流流向。

只是，這種工藝在5nm以下先進(jìn)制程中面臨失效——當(dāng)芯片制程越來越低，一個(gè)芯片里面擠入的晶體管越來越多，留給芯片內(nèi)柵極的空間注定壓縮，變小變薄，這樣就會導(dǎo)致“門”關(guān)得不緊，電子出現(xiàn)逸散。

GAA正是比FinFET更進(jìn)了一步。由于柵極變小失去了“包裹性”，芯片廠商們索性把漏極和源極又換了個(gè)形態(tài)，變成了一根根納米片小棍子，垂直穿過柵極——這樣，小柵極也能全面包裹柵極、漏極，保證電子不再逸散。

此外，三星還曾經(jīng)提出了豎向構(gòu)建的“VTFET”方式，和此前平著放的芯片不一樣，這種設(shè)計(jì)思路下的晶體管是垂直構(gòu)造的，但這些都還在試驗(yàn)階段。

當(dāng)然，2nm的技術(shù)挑戰(zhàn)不僅于此，除了GAA技術(shù)之外，另一項(xiàng)技術(shù)也相當(dāng)關(guān)鍵。隨著半導(dǎo)體工藝微縮路線不斷地向前發(fā)展，集成電路內(nèi)電路與電路間的距離也不斷縮窄，也會對彼此產(chǎn)生干擾。而為了納米片電晶體管提供足夠的電能，避免漏電損耗，臺積電、三星、英特爾的2nm制程，紛紛用上了背面配電線路技術(shù)。

隨著芯片向2nm以下攀登，各類技術(shù)創(chuàng)新閃爍。只是，目前看來2nm的投入產(chǎn)出比并不高——當(dāng)芯片向2nm以下的制程攀登，投入呈指數(shù)級態(tài)勢狂奔，僅僅購入一臺光刻機(jī)就要幾十億的投入，芯片設(shè)計(jì)的成本更是高達(dá)50億元以上。

但從更長遠(yuǎn)的角度，2nm制程的突破，意義深遠(yuǎn)。

2nm未見果，1.8/1.4nm現(xiàn)身影

今年，先進(jìn)制程動態(tài)不斷，尤其是3nm、2nm等最先進(jìn)制程。從共同點(diǎn)來講，大廠們的目標(biāo)無非是為了突破芯片技術(shù)壁壘，占領(lǐng)新技術(shù)高地，從而拿下更多市場份額。

此前晶圓代工廠商2nm以下制程的研發(fā)時(shí)間線曝光于公眾視野時(shí)，就曾引起轟動，業(yè)界激烈討論的重點(diǎn)仍是，該技術(shù)的進(jìn)步是否能帶來更好的性能和良率等問題，而也正因此2nm以下制程技術(shù)的熱度一直居高不下。

筆者針對臺積電、英特爾、三星、Rapidus芯片制程研發(fā)進(jìn)行了最新跟蹤：臺積電1.4nm開發(fā)順利；英特爾1.8nm 18A工藝研發(fā)完成；三星計(jì)劃于2027年進(jìn)入1.4nm半導(dǎo)體制程技術(shù)領(lǐng)域；Rapidus正在構(gòu)建1nm芯片產(chǎn)品的供應(yīng)體制。

臺積電在IEEE國際電子器件會議（IEDM）的“邏輯的未來”小組上透露，臺積電1.4nm級制造技術(shù)的開發(fā)進(jìn)展順利進(jìn)行。據(jù)SemiAnalysis的Dylan Patel發(fā)布的幻燈片指示，臺積電的1.4nm生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)正式命名為A14。不過關(guān)于A14量產(chǎn)時(shí)程及其規(guī)格，臺積電暫未披露更多信息，但鑒于N2計(jì)劃于2025年末、N2P計(jì)劃于2026年末，業(yè)界猜測A14會在此之后2027-2028年間推出。

關(guān)于臺積電是否會采用垂直堆疊互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管（CEFT）結(jié)構(gòu)，或是沿用2nm制程將采用的環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管（GAAFET），以及臺積電是否會在2027年至2028年期間為其A14工藝技術(shù)采用高數(shù)值孔徑EUV（High NA EUV）光刻機(jī)，目前仍尚不清楚。

英特爾方面，英特爾CEO帕特·基辛格在Intel Innovation Day論壇表示，Intel 18A制程目前有許多測試晶圓正在生產(chǎn)中，這一技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成，正加速進(jìn)入生產(chǎn)階段。

據(jù)介紹，Intel 18A節(jié)點(diǎn)（1.8nm）由于尺寸進(jìn)一步縮小，需采用RibbonFET晶體管，使用GAA全環(huán)繞柵極架構(gòu)，類似多片納米片堆疊在一起，這樣不僅能夠縮小尺寸，而且柵極能夠更好地控制電流的流通，同時(shí)在任意電壓下提供更強(qiáng)的驅(qū)動電流，讓晶體管開關(guān)的速度更快，從而提升晶體管的性能。

基辛格表示，英特爾定下的“4年推進(jìn)5代制程”目標(biāo)正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)，希望在2025年重新奪回半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)者地位，超越臺積電、三星。

英特爾稱Intel 18A制程不會僅供內(nèi)部使用，未來也將為愛立信等外部客戶代工晶圓。此前基辛格于10月末透露，Intel 18A制程已于Q3敲定了三家晶圓代工客戶，預(yù)計(jì)年底有望簽下第四家。此外，用于下一代服務(wù)器、PC處理器的Intel 3制程技術(shù)，目前正在“除錯(cuò)”階段，預(yù)計(jì)2024年即可投產(chǎn)。

從英特爾制程研發(fā)路線看，Intel 7制程技術(shù)已大量生產(chǎn)，Intel 4制程也已經(jīng)量產(chǎn)，Intel 3制程準(zhǔn)備開始量產(chǎn)，Intel 20A制程將如期于2024年量產(chǎn)，Intel 18A制程將是5代制程目標(biāo)的終極制程，已確定相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則，將于明年下半年量產(chǎn)。

三星方面，一直以來，三星在努力確保能采購更多EUV光刻機(jī)，目標(biāo)是希望能在2024年上半年進(jìn)入第二代3納米制程技術(shù)，在2025年年底前推出2nm制程，2027年年底之前推出1.4nm制程。

三星是首家跨入并轉(zhuǎn)型環(huán)繞式柵極（GAA）晶體管架構(gòu)的公司，三星希望從SF3進(jìn)展至SF2會相對流暢。三星旗下晶圓代工部門Samsung Foundry首席技術(shù)官Jeong Ki-tae表示，GAA結(jié)構(gòu)晶體管是一項(xiàng)可持續(xù)的技術(shù)，此前的FinFET鰭式晶體管很難進(jìn)一步改進(jìn)。他還透露，三星正在與大客戶就即將推出的2nm、1.4nm制程工藝進(jìn)行談判。

Rapidus方面，據(jù)報(bào)道，Rapidus、東京大學(xué)與法國半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Leti合作，將研發(fā)1nm級別芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技術(shù)，將在2024年開展人才交流、技術(shù)共享。Rapidus將利用Leti的技術(shù)，構(gòu)建1nm芯片產(chǎn)品的供應(yīng)體制。

報(bào)道指出，他們的共同目標(biāo)是確立設(shè)計(jì)開發(fā)線寬為1.4nm——1nm半導(dǎo)體所需的基礎(chǔ)技術(shù)。這一節(jié)點(diǎn)需要與傳統(tǒng)不同的晶體管結(jié)構(gòu)，Leti在該領(lǐng)域的成膜等關(guān)鍵技術(shù)上占優(yōu)。

結(jié)語

在2nm及以下先進(jìn)制程的競爭中，雖然研發(fā)最終成果還未具體披露，但從搶單、購買先進(jìn)設(shè)備等動作也可見，各大廠已經(jīng)在為日后未雨綢繆。叢上述披露的時(shí)間線來看，針對2nm制程的研發(fā)答案將于2025年揭曉，但更先進(jìn)制程的戰(zhàn)斗仍在繼續(xù)，未來技術(shù)如何演變？我們拭目以待。