深度丨2納米變成新戰(zhàn)場(chǎng)

作者 | 方文三

今年一月，荷蘭ASML公司成功研制出首臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)，并在公眾面前進(jìn)行了首次開(kāi)箱展示。

其創(chuàng)新技術(shù)能夠?qū)⑹澜缟献罴舛说?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87/">芯片制程由3納米進(jìn)一步縮減至2納米，為全球半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)了劃時(shí)代的突破。

此次成果的亮相，標(biāo)志著半導(dǎo)體廠商正式開(kāi)啟了2納米芯片量產(chǎn)的新紀(jì)元。

2納米芯片技術(shù)儲(chǔ)備不斷完善

目前，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)儲(chǔ)備正在逐步優(yōu)化，從設(shè)備制造商到材料供應(yīng)商，再到芯片設(shè)計(jì)公司，各環(huán)節(jié)均在積極應(yīng)對(duì)技術(shù)變革，以確保在2納米芯片時(shí)代保持競(jìng)爭(zhēng)力。

此前，業(yè)界普遍認(rèn)為硅基芯片將在2納米時(shí)代走向終結(jié)，而更先進(jìn)的芯片將采用光子或碳基技術(shù)。

然而，高數(shù)值孔徑技術(shù)的出現(xiàn)，有望延長(zhǎng)EUV（極紫外光刻）光源技術(shù)的使用壽命，并減輕對(duì)刻蝕光波長(zhǎng)的迫切需求。

全球最大光刻機(jī)廠商ASML已向美國(guó)英特爾公司交付了最新一代的[0.55數(shù)值孔徑]EUV光刻工具，這將為2納米制程工藝芯片的生產(chǎn)提供有力支持。

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，佳能公司正致力于研發(fā)一種創(chuàng)新的納米壓印技術(shù)，該技術(shù)具有巨大的潛力，能夠生產(chǎn)出2納米級(jí)別的半導(dǎo)體。

因此，該技術(shù)有望在現(xiàn)有光源技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)2納米制程及以上芯片的生產(chǎn)。

此外，被視為2納米芯片工藝的核心技術(shù)——背面供電(BSPDN)技術(shù)也取得了顯著進(jìn)展。

三星電子正在開(kāi)發(fā)的BSPDN技術(shù)已取得新突破，并計(jì)劃提前應(yīng)用于2025年的2納米芯片工藝中。

英特爾同樣在背面供電技術(shù)的研發(fā)上投入巨大，以期恢復(fù)其在制程技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

該公司計(jì)劃將PowerVia與20A節(jié)點(diǎn)(2納米)的RibbonFET(全方位柵極)晶體管相結(jié)合，通過(guò)采用BPD，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)6%的性能提升(Fmax)、90%的單元利用率以及30%以上的電壓降降低。

臺(tái)積電已在N2研發(fā)出背面配電線路(backside power rail)解決方案，這一設(shè)計(jì)特別適用于高性能計(jì)算(HPC)應(yīng)用。

與基線技術(shù)相比，背面線路預(yù)計(jì)將提升速度10%至12%，同時(shí)邏輯密度也將提升10%至15%。

在晶體管架構(gòu)方面，據(jù)供應(yīng)鏈消息，臺(tái)積電計(jì)劃采用GAA(全柵極環(huán)繞)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)2納米制程節(jié)點(diǎn)。

位于新竹科學(xué)園區(qū)的寶山P1晶圓廠最早將于4月份開(kāi)始安裝設(shè)備，而P2工廠和高雄工廠則計(jì)劃于2025年開(kāi)始生產(chǎn)采用GAA技術(shù)的2納米制程芯片。

臺(tái)積電：長(zhǎng)期領(lǐng)先帶來(lái)的穩(wěn)定發(fā)展

臺(tái)積電長(zhǎng)期以來(lái)一直是全球晶圓代工的領(lǐng)頭羊，其在先進(jìn)制程技術(shù)上的投入和研發(fā)實(shí)力使其在行業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

臺(tái)積電已經(jīng)宣布將在2025年推出2納米制程技術(shù)，命名為N2，這一技術(shù)將采用GAAFET全環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)，預(yù)計(jì)性能和功效將有顯著提升。

臺(tái)積電的優(yōu)勢(shì)在于其穩(wěn)健的技術(shù)發(fā)展策略和對(duì)制程技術(shù)的深厚積累。

它傾向于在確保新技術(shù)成熟和可靠后再進(jìn)行部署，這種方法有助于降低技術(shù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，提高芯片產(chǎn)量和質(zhì)量，確?？蛻魸M意度。

臺(tái)積電的客戶群體廣泛，包括蘋(píng)果、英偉達(dá)、AMD等，這些合作關(guān)系為其提供了穩(wěn)定的訂單和收入來(lái)源，有助于其在2納米技術(shù)上的研發(fā)和量產(chǎn)。

作為全球晶圓代工廠領(lǐng)域的佼佼者，臺(tái)積電在技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)能布局方面均展現(xiàn)出卓越實(shí)力。

目前，位于新竹寶山的Fab20 P1廠即將于4月啟動(dòng)設(shè)備安裝工程，為即將到來(lái)的2納米芯片量產(chǎn)做好充分準(zhǔn)備。

臺(tái)積電已明確表示，包括寶山P1、P2及高雄在內(nèi)的三座先進(jìn)制程晶圓廠均計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)目標(biāo)。

此舉引發(fā)了全球科技巨頭的廣泛關(guān)注，蘋(píng)果、英偉達(dá)、AMD及高通等公司均積極尋求與臺(tái)積電的合作，以確保獲得足夠的產(chǎn)能支持。

根據(jù)先前wccftech媒體的報(bào)道，蘋(píng)果公司的iPhone、Mac、iPad以及其他相關(guān)設(shè)備將成為臺(tái)積電首批采用2納米工藝技術(shù)的用戶。

蘋(píng)果計(jì)劃利用臺(tái)積電的2納米工藝技術(shù)來(lái)提升其芯片的性能，并降低功耗。這一技術(shù)革新有望在未來(lái)延長(zhǎng)蘋(píng)果產(chǎn)品的電池壽命，例如iPhone和MacBook。

在2納米芯片的產(chǎn)能布局方面，臺(tái)積電目前正積極建設(shè)兩座2納米芯片工廠。

三星：新結(jié)構(gòu)方面會(huì)更有經(jīng)驗(yàn)

三星電子是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商之一，其晶圓代工部門在2納米技術(shù)的研發(fā)上也表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)力。

三星已經(jīng)收獲了不少2納米 AI加速器訂單，包括來(lái)自日本AI巨頭Preferred Networks Inc.（PFN）的訂單，這顯示了三星在2納米技術(shù)商業(yè)化方面的決心和進(jìn)展。

三星的2納米級(jí)SF2工藝計(jì)劃于2025年推出，預(yù)計(jì)將在功耗效率和性能上有顯著提升。

三星的優(yōu)勢(shì)在于其垂直整合的業(yè)務(wù)模式，即同時(shí)擁有芯片設(shè)計(jì)和制造能力，這使得三星能夠在內(nèi)部協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，快速響應(yīng)市場(chǎng)變化。

此外，三星在3納米制程上已經(jīng)采用了GAA架構(gòu)，這為其在2納米技術(shù)上的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

所以相對(duì)于臺(tái)積電，三星似乎在新結(jié)構(gòu)方面會(huì)更有經(jīng)驗(yàn)，這也成為三星在2納米制程中的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)之一。

三星還通過(guò)提供全面的芯片制造服務(wù)，包括從芯片設(shè)計(jì)到生產(chǎn)和先進(jìn)芯片封裝的一站式服務(wù)，來(lái)吸引客戶。

據(jù)韓國(guó)媒體ZDNet報(bào)道，三星已向客戶和合作伙伴發(fā)出通知，自今年年初起，將其第二代3納米制程技術(shù)正式更名為2納米制程技術(shù)。

同時(shí)，三星宣布與一家未公開(kāi)身份的公司達(dá)成了一項(xiàng)新的合作協(xié)議。

根據(jù)該協(xié)議，雙方將在三星即將推出的2納米節(jié)點(diǎn)上共同研發(fā)人工智能芯片，并已取得了初步的成功。

雖然目前該協(xié)議的具體細(xì)節(jié)尚未公開(kāi)，但業(yè)界普遍認(rèn)為，這一合作將使得三星的代工業(yè)務(wù)在未來(lái)的工藝技術(shù)上與臺(tái)積電和英特爾等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手展開(kāi)激烈的角逐。

三星對(duì)其2納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)寄予了厚望。據(jù)相關(guān)報(bào)道，與第二代3納米GAA設(shè)計(jì)相比，該節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)鐘頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)25%的效率提升。

此外，預(yù)計(jì)在保持相同功率水平的情況下，該節(jié)點(diǎn)的效率將提升12%，芯片的總尺寸將減少5%。

考慮到三星之前已經(jīng)明確表示，其首批2納米晶圓將主要針對(duì)智能手機(jī)市場(chǎng)，因此，這次新協(xié)議的簽署很可能是三星最先進(jìn)工藝技術(shù)在PC領(lǐng)域的首個(gè)重要合同。

有業(yè)內(nèi)人士推測(cè)，這筆交易的目標(biāo)客戶可能是谷歌、微軟或阿里巴巴等擁有超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的公司。

然而，盡管三星已經(jīng)成功研發(fā)出[第二代3納米]工藝，并將其更名為[2納米]，并計(jì)劃在今年年底前正式投入量產(chǎn)，但業(yè)界對(duì)此并不完全認(rèn)同。

許多大廠更期待真正的2納米技術(shù)的到來(lái)，并期待看到三星在工藝技術(shù)研發(fā)上的進(jìn)一步突破。

三星計(jì)劃在2025年首先在移動(dòng)終端上實(shí)現(xiàn)2納米制程芯片的量產(chǎn)，隨后在2026年將其應(yīng)用于高性能計(jì)算（HPC）產(chǎn)品，并在2027年進(jìn)一步擴(kuò)大到車用芯片領(lǐng)域。

英特爾：接著阻擊接著搶市場(chǎng)

英特爾作為半導(dǎo)體行業(yè)的老牌巨頭，雖然在10納米制程上遭遇了挑戰(zhàn)，但其在2納米技術(shù)的研發(fā)上也展現(xiàn)出了強(qiáng)烈的反擊意圖。

英特爾宣布將在2024年底前生產(chǎn)下一代芯片，并已經(jīng)開(kāi)始推廣其下一代Intel18A（相當(dāng)于1.8納米）工藝節(jié)點(diǎn)，這表明英特爾希望在2納米技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中重回領(lǐng)先地位。

18A和N2均采納GAA晶體管（RibbonFET）技術(shù)，但1.8納米級(jí)節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)將運(yùn)用BSPND，即背面功率傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)有助于優(yōu)化功率和時(shí)鐘表現(xiàn)。

20A制造技術(shù)預(yù)計(jì)于2024年投入應(yīng)用，將引入RibbonFET環(huán)繞柵極晶體管及背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）兩大創(chuàng)新技術(shù)，旨在達(dá)成性能提升、功耗降低及晶體管密度增加等目標(biāo)。

同時(shí)，英特爾的18A生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)旨在進(jìn)一步鞏固并拓展20A技術(shù)的創(chuàng)新成果，預(yù)計(jì)將在2024年底至2025年初提供更為顯著的PPA性能改進(jìn)。

按照英特爾的制程規(guī)劃，其2納米技術(shù)有望率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

英特爾的優(yōu)勢(shì)在于其在High-NA EUV光刻機(jī)方面的領(lǐng)先地位，該公司已經(jīng)預(yù)定了多達(dá)6臺(tái)新一代高NA EUV光刻機(jī)，這將為其提供更高的產(chǎn)能和更精細(xì)的曝光尺寸。

英特爾還在推進(jìn)背面供電技術(shù)和RibbonFET的使用，這些技術(shù)預(yù)計(jì)將在2024年第一季度問(wèn)世的芯片中得到應(yīng)用。

在最近的Direct Connect活動(dòng)中，英特爾宣布了其[4年5個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)計(jì)劃]，其中明確包括了2納米芯片的發(fā)展節(jié)點(diǎn)。

該公司進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了其目標(biāo)，即在2030年之前成為全球第二大晶圓代工廠。

目前，英特爾已經(jīng)公布了其2024年量產(chǎn)20A[2納米]芯片的計(jì)劃。

這款芯片將采用創(chuàng)新的RibbonFET晶體管技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的FinFET架構(gòu)，并引入包括PowerVia在內(nèi)的全新互連技術(shù)。

為了改善其代工業(yè)務(wù)的業(yè)績(jī)，英特爾正在加快2納米制程的研發(fā)進(jìn)度。同時(shí)，該公司正致力于推動(dòng)其代工業(yè)務(wù)的獨(dú)立發(fā)展。

從2024年第一季度開(kāi)始，英特爾的財(cái)務(wù)架構(gòu)將分為兩大板塊：英特爾代工和英特爾產(chǎn)品。

這一舉措標(biāo)志著英特爾代工正式成為一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)營(yíng)部門，并將擁有自己的損益表。

高通：市場(chǎng)決定合作的腦袋

高通作為全球領(lǐng)先的無(wú)線通信技術(shù)公司，其在移動(dòng)處理器市場(chǎng)具有重要地位。

雖然高通主要是無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司（Fabless），不直接參與芯片制造，但它在選擇代工廠商方面具有重要影響力。

高通的旗艦產(chǎn)品，如Snapdragon系列，一直是高端智能手機(jī)市場(chǎng)的首選。

在2納米技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，高通的策略是選擇最佳的代工廠商來(lái)生產(chǎn)其設(shè)計(jì)的芯片。

高通可能會(huì)根據(jù)臺(tái)積電和三星等代工廠商的技術(shù)進(jìn)展、成本效益和供應(yīng)鏈穩(wěn)定性來(lái)決定其芯片的代工合作伙伴。

例如，有報(bào)道稱高通計(jì)劃在其下一代高端智能手機(jī)應(yīng)用處理器中使用三星的[SF2]芯片，這表明高通在評(píng)估2納米技術(shù)時(shí)，不僅關(guān)注技術(shù)性能，也關(guān)注成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)尾：

2納米制程技術(shù)已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體行業(yè)的新戰(zhàn)場(chǎng)，各大廠商的競(jìng)爭(zhēng)將推動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為未來(lái)的電子產(chǎn)品和智能應(yīng)用帶來(lái)更加強(qiáng)大的性能和更高的能效比。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，2納米制程技術(shù)無(wú)疑將成為未來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的重要里程碑。

部分資料參考：電子工程專輯：《巨頭紛紛布局2納米芯片》，全球半導(dǎo)體觀察：《2納米先進(jìn)制程已近在咫尺》《全球2納米晶圓廠建設(shè)加速》，界面新聞：《芯片巨頭開(kāi)戰(zhàn)2納米》