2nm制程：四強爭霸，誰是炮灰？

距離2nm制程量產(chǎn)還有一年左右的時間，當下，對于臺積電、三星和英特爾這三大玩家來說，都進入了試產(chǎn)準備期，新一輪先進制程市場爭奪戰(zhàn)一觸即發(fā)。

經(jīng)過多年的技術積累、發(fā)展和追趕，在工藝成熟度和良率方面，三星、英特爾與臺積電的差距越來越小了，在2nm時代，臺積電依然占據(jù)優(yōu)勢地位的局面可以預見，但與5nm和3nm時期相比，市場競爭恐怕會激烈得多。

三大玩家的2nm技術路線

在發(fā)展2nm制程技術方面，臺積電、三星和英特爾既有相同點，也有不同之處，總體來看，臺積電相對穩(wěn)健，英特爾相對激進，三星則處于居中位置。

首先看臺積電。

該晶圓代工龍頭的2nm制程將包括N2、N2P和N2X三個版本，預計2025下半年開始量產(chǎn)其第一代GAAFET N2節(jié)點芯片，2nm的下一個版本N2P將在 2026年底量產(chǎn)。與英特爾不同，臺積電的這兩個版本2nm工藝沒有使用背面供電技術，不過，整個N2系列將增加臺積電新的NanoFlex功能，該功能允許芯片設計人員在同一模塊中匹配來自不同庫（高性能、低功耗、不同面積）的單元，以提高性能或降低功耗。

為了控制成本，臺積電將使用GAAFET晶體管架構，而不是傳說中的互補式場效應晶體管（CFET）。

臺積電的3nm工藝已經(jīng)支持一種稱為FinFlex的功能，它也允許設計人員使用來自不同庫的單元，不過，N2依賴于GAAFET納米片晶體管，使NanoFlex提供了一些額外的控制能力，可以優(yōu)化性能和功率的通道寬度。
與

N3E相比，臺積電預計N2在相同功率下可將性能提高10%~15%，或在相同頻率和復雜性下將功耗降低25%~30%。

N2之后將是性能增強型N2P，以及2026年的電壓增強型N2X。盡管臺積電曾表示N2P將在2026年增加背面供電網(wǎng)絡（BSPDN），但看起來情況并非如此，N2P將使用常規(guī)供電電路，具體原因尚不清楚。

N2仍有望采用與電源相關的創(chuàng)新，也就是超高性能金屬絕緣體金屬（SHPMIM）電容器，這種電容器可以提高電源穩(wěn)定性，SHPMIM電容器的容量密度是臺積電現(xiàn)有超高密度金屬絕緣體金屬（SHDMIM）電容器的兩倍多。

下面看三星。

三星也將于2025年量產(chǎn)2nm（SF2）制程芯片，然后于2026年采用背面供電技術。與3nm工藝（SF3）相比，三星的2nm工藝性能提升12%，功率效率提升25%，面積減少5%。

相對于臺積電而言，三星公布的2nm制程工藝技術細節(jié)不多，不知道量產(chǎn)時是否會有什么大招放出。

最后看英特爾。

2024年初，在發(fā)布其“四年內五個節(jié)點”計劃（稱為“5N4Y”）時，英特爾介紹了其20A（2nm級）制程技術，該工藝計劃在2025年初投入生產(chǎn)。

據(jù)悉，英特爾的20A引入了RibbonFET GAA晶體管和PowerVia背面供電技術，而之后的升級版本18A則將改進這兩種技術。該公司是背面供電技術的積極倡導者，并在不斷改進，因此，預計英特爾也將會在2nm制程技術領域有較多創(chuàng)新。

英特爾將比臺積電早兩年使用背面供電技術，此外，在使用GAA晶體管架構方面，也比臺積電早一年半的時間。但是，是否可以將這些新技術轉化成實實在在的量產(chǎn)優(yōu)勢，關鍵還是要看英特爾能否將PPA（性能、功耗、面積）優(yōu)化到位。

數(shù)字游戲

2024年3月，三星電子通知客戶和合作伙伴，宣布將新版第二代3nm工藝改名為2nm。三星稱，該工藝將在今年年底量產(chǎn)。

一位IC設計業(yè)內人士表示：“我們收到了三星電子的通知，他們正在將第二代3nm制程更名為2nm。我們去年與三星電子代工廠簽訂的第二代3nm制程合同也將更名為2nm，因此，我們需要在不久的將來重寫合同?！?/p>

有業(yè)內人士表示，三星第二代3nm制程減小了晶體管尺寸，很大程度上是為了滿足營銷的需要。

臺積電在IEEE國際電子元件會議（IEDM）上揭露，將繼2nm后，推出1.4nm制程，且延續(xù)將2nm正式命名為A20的做法，1.4nm被命名為A14，預計2027~2028年量產(chǎn)。

三星緊追臺積電不放，宣布計劃2027年量產(chǎn)1.4nm制程。

英特爾對制程的命名則一改多年前的“倔強”，不再固守摩爾定律的絕對規(guī)范，而是考慮到更多的商業(yè)化拓展需求，讓制程節(jié)點聽起來更接近市場和客戶習慣。因此，該公司CEO基辛格在主持英特爾創(chuàng)新日臺北場時重申，Intel 7已進入量產(chǎn)階段，Intel 4現(xiàn)已量產(chǎn)準備就緒，Intel 3也會按計劃于今年底推出。他在現(xiàn)場展示了以Intel 20A試產(chǎn)出的晶圓，預計將用于2025年推出的Arrow Lake處理器，Intel 18A也將有望在2025下半年進入量產(chǎn)階段。

目前，對于5nm及以下的先進制程工藝，出現(xiàn)了越來越多的“數(shù)字游戲”，這也是競爭壓力下的產(chǎn)物，由于臺積電的先進制程在業(yè)內深入人心，要想提升競爭力，獲得更多市場份額，就不得不順應市場需求和客戶習慣，才有助于拓展市場空間。

2nm制程量產(chǎn)的挑戰(zhàn)

2025年是2nm制程量產(chǎn)元年，真正的較量恐怕會出現(xiàn)在2026年。對于臺積電、三星、英特爾，以及日本的Rapidus來說，依然需要解決各自的問題，才能將量產(chǎn)工作鋪開。

臺積電的高成本

International Business Strategies（IBS）的分析師認為，與3nm處理器相比，2nm芯片成本將增長約50%。

IBS估計，一個產(chǎn)能約為每月50000片晶圓（WSPM）的2nm產(chǎn)線的成本約為280億美元，而具有類似產(chǎn)能的3nm產(chǎn)線的成本約為200億美元。增加的成本，很大一部分來自于EUV光刻設備數(shù)量的增加，這將大大增加每片晶圓和每個芯片的生產(chǎn)成本，而能夠接受如此高成本芯片的廠商，只有蘋果、AMD、英偉達和高通等少數(shù)幾家。

IBS估計，2025~2026年，使用臺積電N2工藝加工單個12英寸晶圓將花費蘋果約30000美元，而基于N3工藝的晶圓成本約為20000美元。

隨著對AI處理器需求的增加，英偉達在臺積電收入中的份額會在2024年增加，該公司已經(jīng)預訂了臺積電晶圓代工和CoWoS封裝產(chǎn)能，以確保其用于AI的優(yōu)質處理器的穩(wěn)定供應。今年，AMD在臺積電總營收中的份額有望超過10%。

正是有蘋果、英偉達、AMD等大客戶下單，臺積電才會大規(guī)模投資最先進制程，否則，像2nm這樣燒錢的制程產(chǎn)線，是很難持續(xù)支撐下去的。但是，就目前的情況來看，臺積電對2024全年的晶圓代工市場預判較為保守，認為之前的預估過于樂觀了，之前預估該行業(yè)年增長20%左右，現(xiàn)在看來，增長率可能只有10%左右。在這種情況下，雖然有大客戶的訂單，也必須控制一下成本和資本支出了。

目前，臺積電正在全方位的控制成本，包括EUV設備的支出，電能的節(jié)省等。雖然在2nm制程成本方面，其它幾家廠商也會面臨成本問題，但為了追趕臺積電，三星和英特爾似乎在成本方面沒有臺積電那么敏感。另外，由于臺積電要在美國新建至少兩座先進制程晶圓廠，這給它帶來了很多額外的成本壓力。因此，臺積電的2nm制程產(chǎn)線必須精打細算。

三星的良率問題

對于晶圓代工來說，良率非常重要，它直接影響生產(chǎn)成本和客戶認可度。

自從進入5nm制程時代以來，良率一直是三星晶圓代工業(yè)務所面對的最大問題，特別是在3nm制程節(jié)點上，三星率先引入了全新的GAA架構晶體管，與以往使用的FinFET晶體管有較大區(qū)別，也使良率問題進一步放大。

據(jù)Notebookcheck報道，三星的3nm工藝良率在50%附近徘徊，依然有一些問題需要解決。三星2023年曾表示，其3nm工藝量產(chǎn)后的良率已達到60%以上，不過，現(xiàn)在看來，當時過于樂觀了。

今年2月，據(jù)韓媒報道，三星新版3nm工藝存在重大問題，試產(chǎn)芯片均存在缺陷，良率為0%。報道指出，采用3nm工藝的Exynos 2500芯片因缺陷未能通過質量測試，導致后續(xù) Galaxy Watch 7的芯片組也無法量產(chǎn)。報道指出，由于Exynos 2500芯片試產(chǎn)失敗，三星推遲了大規(guī)模生產(chǎn)，目前，尚不清楚是否能夠及時解決良率問題。

為了追趕臺積電，三星的3nm制程工藝采取了比較激進的策略，主要體現(xiàn)在GAA晶體管架構上，臺積電的3nm依然采用FinFET。2nm才會轉向GAA晶體管，激進的結果就是要在良率方面付出一些代價。
如果3nm的良率問題不能解決，2nm恐怕會出現(xiàn)同樣的問題。

英特爾的客戶

對于晶圓代工業(yè)新進入者，英特爾面臨的最大問題當然是客戶認可度，特別是像2nm這樣先進的制程工藝，對于在10nm以下晶圓代工市場鮮有量產(chǎn)經(jīng)驗和出貨量的廠商來說，在與臺積電和三星的競爭中，如何搶奪客戶，特別是有較大出貨量需求的客戶（2nm成本很高，若出貨量小，根本不可能盈利），是一大挑戰(zhàn)。

Rapidus的挑戰(zhàn)

日本Rapidus晶圓廠的2nm制程工藝源自IBM。Rapidus派遣工程師前往IBM在紐約的奧爾巴尼納米技術中心進行研發(fā)，并與IBM以外的合作伙伴合作開發(fā)2nm工藝，目標是在2020年代后期進行大規(guī)模生產(chǎn)。

與英特爾類似，Rapidus是晶圓代工業(yè)的新進入者，大規(guī)模生產(chǎn)工藝研發(fā)是從零開始的，客戶認可度是一大挑戰(zhàn)。

假設已經(jīng)投資Rapidus的豐田汽車、電裝、NTT、IBM等公司將他們需要的先進制程芯片交由Rapidus代工生產(chǎn)，但是，這些廠商能有多少2nm制程芯片需求？而將先進制程芯片外包給臺積電、三星等晶圓代工廠的客戶，如蘋果、高通、AMD、英偉達和聯(lián)發(fā)科，才是出貨量大戶，他們能否選擇Rapidus，關鍵在于這些大客戶能夠充分了解并認可Rapidus的工藝水平，以及所創(chuàng)造的附加值，如果不能的話，他們很難將訂單從臺積電和三星那里轉出。
另外，僅僅在奧爾巴尼學到了IBM的2nm工藝，并不意味著可以直接將其應用于Rupidus晶圓廠的大規(guī)模生產(chǎn)，有很多工程問題需要解決，這不是一朝一夕的事情。

還有一個問題是Rapidus能獲得多少EUV設備，這對2nm制程芯片量產(chǎn)至關重要。ASML在2022年的EUV光刻設備出貨量約為55臺，2023年的產(chǎn)能提高到60臺以上，到2025年可達到90臺左右。但是，隨著制程工藝的特征尺寸小越來越小，EUV光刻的層數(shù)會持續(xù)增加，其

它幾家晶圓廠會持續(xù)爭奪EUV設備，Rapidus能得到多少呢？

結語

據(jù)韓媒報道，臺積電總裁魏哲家沒有出席23日在臺北舉行的臺積電2024年技術論壇，是因為他前往歐洲秘密訪問ASML荷蘭總部和德國工業(yè)激光大廠TRUMPF。

為了沖刺先進制程晶圓代工，英特爾已成為ASML首臺最新型High-NA EUV（高數(shù)值孔徑EUV光刻機）的買家。臺積電高層原本表示，其2nm和A16制程節(jié)點并不需要High-NA EUV，因為它太貴了。但據(jù)BusinessKorea報道，臺積電總裁魏哲家這次秘密飛往荷蘭，是與ASML商討EUV設備事宜。

雖然魏哲家的訪歐行程是保密的，但ASML新任CEO富凱（Christophe Fouquet）和TRUMPF公司CEO卡穆勒（Nicola Leibinger-Kammüller）都在社群媒體上曝光了魏哲家到訪的消息。富凱直言，ASML向魏哲家介紹了公司的最新技術與產(chǎn)品，包括High-NA EUV設備將如何實現(xiàn)未來半導體的微制程工藝技術。

這可以從一個側面反映出臺積電、英特爾和三星爭奪新一代光刻設備的競爭在升溫，2nm及以下先進制程的競賽已經(jīng)開打。