中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：1月13日，臺(tái)積電CEO魏哲家表示，2022年70%~80%的資本預(yù)算將用于2納米、3納米等先進(jìn)工藝技術(shù)的研發(fā)。此前，老對(duì)手三星也表示將于2025年量產(chǎn)2納米。去年，英特爾調(diào)整了技術(shù)路線，大踏步向2納米進(jìn)軍，而IBM展示的2納米工藝制程也著實(shí)讓人驚艷了一陣子。新年伊始， 2納米作為階段性制高點(diǎn)，吹響了芯片先進(jìn)制程之戰(zhàn)的號(hào)角。
臺(tái)積電與三星的戰(zhàn)爭(zhēng)
目前，在先進(jìn)工藝這一賽道上，玩家只剩下了臺(tái)積電、三星、英特爾和IBM?，F(xiàn)在最先進(jìn)的制程工藝當(dāng)屬初露鋒芒的4納米了，而能達(dá)到此項(xiàng)工藝技術(shù)水平的，全球也只有臺(tái)積電和三星兩家。根據(jù)此前臺(tái)積電和三星放出的消息，2022年將成為3納米的誕生之年，并且都表現(xiàn)出了將在2025年量產(chǎn)2納米的決心。雖然3納米現(xiàn)在還沒被達(dá)到量產(chǎn)，但從幾大廠商在3納米上的研發(fā)進(jìn)度就可初見端倪。
臺(tái)積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球曾公開表示，臺(tái)積電正在用新工藝證明了，摩爾定律仍在持續(xù)往前推進(jìn)。作為先進(jìn)工藝的推動(dòng)者，臺(tái)積電2018年推出7納米，2020年推出5納米， 2022年將會(huì)如期推出3納米，而且2納米工藝也在順利研發(fā)。
據(jù)臺(tái)積電官方資料顯示，臺(tái)積電的3納米相比上一代的5納米工藝，在邏輯密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下功耗可降低25%~30%。臺(tái)積電將在2納米節(jié)點(diǎn)推出Nanosheet/Nanowire的晶體管架構(gòu)并采用新的材料，在性能、功耗和密度也將進(jìn)一步提升。
賽迪顧問集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心高級(jí)分析師楊俊剛向《中國電子報(bào)》表示，臺(tái)積電將會(huì)在2納米芯片中采用GAAFET工藝，目前來看臺(tái)積電已經(jīng)試產(chǎn)了3納米芯片，預(yù)計(jì)今年將會(huì)量產(chǎn)，但是臺(tái)積電3納米的工藝現(xiàn)在還是采用FinFET工藝，從研發(fā)到生產(chǎn)上，F(xiàn)inFET轉(zhuǎn)到GAAFET還需要有一定的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。
平面晶體管與FinFET以及GAA FET示意圖
資料來源：LamResearch
“從質(zhì)量和產(chǎn)量兩方面考慮，臺(tái)積電無疑會(huì)率先推出2納米代工工藝，目前臺(tái)積電投資約300億美金的Fab20正在建設(shè)，預(yù)計(jì)2024開始運(yùn)營，主要負(fù)責(zé)3/2/1納米先進(jìn)工藝，2025年2納米將在這里最早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)?！毙局\研究高級(jí)分析師張彬磊篤定的向《中國電子報(bào)》記者表示。
三星作為臺(tái)積電最強(qiáng)有力的對(duì)手，近幾年的發(fā)展速度飛快，并且多次公開表示要在芯片加工領(lǐng)域與臺(tái)積電展開競(jìng)爭(zhēng)，全球敢這么叫板臺(tái)積電的也就只有三星了。在IEDM 2021 國際電子元件大會(huì)上，三星更是攜手IBM宣布了一種名為垂直傳輸場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (VTFET) 的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，并表示該技術(shù)突破了目前1納米工藝設(shè)計(jì)的瓶頸。
2021年10月，三星宣布3納米芯片已經(jīng)開始成功流片，將于2022年上半年開始生產(chǎn)，2納米芯片將于2025年量產(chǎn)，并且3納米工藝就將會(huì)采用GAA工藝，2納米技術(shù)將會(huì)持續(xù)采用GAA工藝，在3納米進(jìn)軍2納米工藝的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上將會(huì)節(jié)省一些步驟。
TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工企業(yè)市場(chǎng)份額占比排名
盡管三星的進(jìn)步很大，但與臺(tái)積電的差距仍然很大——市場(chǎng)研究公司TrendForce的報(bào)告中顯示，2021第三季，三星代工銷售額相較于第二季度增長11.0%至48.1億美元，市場(chǎng)份額卻從2020年的17.3%下降到17.1%。而臺(tái)積電第三季度占比53.1%，比第二季度的52.9% 增加了0.2個(gè)百分點(diǎn)。楊俊剛認(rèn)為，原因在于臺(tái)積電在晶圓代工領(lǐng)域積累了豐富的客戶資源，包括蘋果、華為、高通、英偉達(dá)等。而且先進(jìn)工藝技術(shù)快速且穩(wěn)定，對(duì)于蘋果、華為、高通等追求先進(jìn)制程迭代速率較快的企業(yè)，產(chǎn)品更早進(jìn)入市場(chǎng)，會(huì)為自身帶來一定的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)能方面，臺(tái)積電的晶圓代工產(chǎn)能領(lǐng)先三星于三倍之多，在產(chǎn)能使用和保障上，規(guī)模更大的廠商會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。其次，臺(tái)積電屬于純晶圓代工廠，而三星是一個(gè)IDM企業(yè)，自身生產(chǎn)的產(chǎn)品和一些純IC設(shè)計(jì)廠商的產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，客戶也會(huì)在挑選代工廠商上有所考慮。
張彬磊從產(chǎn)品品質(zhì)方面指出，按照以往的經(jīng)驗(yàn)來看，三星在晶體管參數(shù)、芯片功耗、發(fā)熱問題、良品率上都比臺(tái)積電略遜一籌。特別是采用三星制程的芯片始終擺脫不了嚴(yán)重過熱問題，性能也低于臺(tái)積電所代工的芯片，使得三星很難擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。
英特爾、IBM左右逢源
英特爾“牙膏廠”的名號(hào)在外甚是響亮，原因就在于研發(fā)進(jìn)度過慢，工藝停留在7納米的時(shí)間過長，像是在擠牙膏一樣，不少人懷疑英特爾黔驢技窮了。但最近英特爾像是突然意識(shí)到了危機(jī)感一樣，到處求合作，此前和三星、IBM簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，共同研發(fā)2納米制造工藝，而現(xiàn)在又傳出要與臺(tái)積電合作，可以說是左右逢源。
楊俊剛表示，英特爾在去年7月份的工藝和封裝大會(huì)上，公布了英特爾最新的技術(shù)路線，首先把重要工藝命名進(jìn)行了修改10納米技術(shù)改名Intel 7，7納米技術(shù)改為Intel4,5納米技術(shù)改成Intel 3,2納米技術(shù)改成Intel20A，Intel20A工藝也是開始由FinFET工藝轉(zhuǎn)向了GAA晶體管，其中將會(huì)采用兩項(xiàng)RibbonFET、PowerVia技術(shù)。其中RibbonFET技術(shù)是英特爾自FinFET技術(shù)以來推的首個(gè)技術(shù)。并且英特爾表示將會(huì)尋求和臺(tái)積電合作，雙方共同加強(qiáng)對(duì)2納米工藝技術(shù)的研發(fā)。
而老將IBM為我們帶來的最大的驚喜就是在2021年5月發(fā)布的全球首個(gè)2納米制造工藝，并在紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2納米工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。據(jù)預(yù)計(jì)，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個(gè)晶體管。相比之下，臺(tái)積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個(gè)晶體管，三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個(gè)晶體管。這使得2nm芯片的性能有望提升45%、功耗有望降低75%。
“此款2納米芯片，并未實(shí)現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化，采用了GAA工藝，使2納米的晶體管密度達(dá)到了333.33（MTr/mm2），高于目前所已知的其他芯片制造的工藝的晶體管密度。”楊俊剛介紹到。但張彬磊認(rèn)為，這種實(shí)驗(yàn)室工藝，與量產(chǎn)工藝差距很大。IBM和英特爾應(yīng)該把目標(biāo)放在5納米以上的工藝。
2納米要過三道坎兒
想要研發(fā)出2納米芯片，所需要的環(huán)節(jié)非常繁多且缺一不可，就像我們?cè)谧鍪止r(shí)，都需要擁有合適且優(yōu)秀的材料、熟練且完善的技術(shù)和先進(jìn)且趁手的工具，在先進(jìn)制程的研發(fā)中更是如此，其中晶體管架構(gòu)方式的轉(zhuǎn)變和優(yōu)化就是技術(shù)的象征。
對(duì)于2納米的研發(fā)來說，新型材料的選擇與應(yīng)用一樣會(huì)起到至關(guān)重要的作用。喬安表示，半導(dǎo)體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構(gòu)的改變、新興材料的應(yīng)用、亦或是封裝技術(shù)的演進(jìn)都會(huì)是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。
中國科學(xué)院院士張躍指出，硅基集成電路制程與制造技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，特別是在高端芯片領(lǐng)域已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈與技術(shù)鏈。近年來，二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件已經(jīng)在超低功耗晶體管、超快邏輯運(yùn)算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲(chǔ)等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
碳納米管基芯片
資料來源:Nature,2019,Vol.572,Page586
二維材料和一維材料是未來突破2納米以下先進(jìn)制程研發(fā)的潛力材料。石墨烯、碳納米管、過渡金屬化合物等二維或一維材料的尺寸較小，是未來有望替代硅基的新材料。目前碳納米管基芯片及石墨烯芯片已經(jīng)有國際研發(fā)機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的研發(fā)實(shí)驗(yàn)，未來通過中試和量產(chǎn)后，有望突破硅基材料難以延續(xù)摩爾定律的困境。賽迪顧問集成電路中心高級(jí)咨詢顧問池憲念向《中國電子報(bào)》記者表示。
目前，2納米制程技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)在于晶體管架構(gòu)將由FinFET正式進(jìn)入GAAFET世代，相較于FinFET，GAAFET架構(gòu)為四面環(huán)繞式包覆，更能有效提高效能同時(shí)控制漏電 (降低功耗)；TSMC在2納米將正式導(dǎo)入GAAFET，而Samsung2納米制程將為其第二代GAAFET架構(gòu)制程，預(yù)期整體穩(wěn)定性及效能都將更加提升。TrendForce集邦咨詢分析師喬安表示。
從目前的各個(gè)大廠公布的技術(shù)來看，GAA（Gate-All-Around）FET全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)將會(huì)成為2納米芯片研制的主流工藝，GAAFET工藝采用的是納米線溝道設(shè)計(jì)。溝道整個(gè)外輪廓都被柵極完美包裹，對(duì)溝道的控制能力會(huì)更好，并且擁有更好的靜電特性，尺寸能夠進(jìn)一步微縮。
最后是硬件設(shè)備是否足夠先進(jìn)可以支撐2納米的制造，自然就是指光刻機(jī)，而現(xiàn)有的光刻機(jī)是否已經(jīng)滿足2納米的開發(fā)需求了呢？
張彬磊認(rèn)為,當(dāng)前的光刻機(jī)支持2納米工藝研發(fā)完全沒有問題，5納米量產(chǎn)工藝的光刻機(jī)使用多層曝光工藝就可以實(shí)現(xiàn)。但是考慮到成本，量產(chǎn)需要的光刻機(jī)目前ASML還在開發(fā)中。
目前已量產(chǎn)的光刻機(jī)還不能滿足2納米的開發(fā)需求。據(jù)公開信息，荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA（高數(shù)值孔徑）EUV光刻機(jī)，可滿足2納米的研發(fā)和生產(chǎn)需求。首臺(tái)High NA EUV光刻機(jī)將于2023年開放早期測(cè)試，并從2025年開始量產(chǎn)。但具體來看，滿足2納米制程生產(chǎn)需求的光刻機(jī)還需要突破光學(xué)分辨率的問題，道阻且長。同時(shí)，為適應(yīng)2納米的開發(fā)需求，光刻膠也需要進(jìn)行進(jìn)一步的革新以滿足光刻機(jī)更高分辨率的需求。
2納米之后
盡管現(xiàn)在處于后摩爾時(shí)代中，但2納米的研發(fā)已經(jīng)慢慢出現(xiàn)了輪廓，但是否還會(huì)向1納米發(fā)展，甚至進(jìn)入埃米時(shí)代，先進(jìn)工藝的發(fā)展歷程是否還會(huì)穩(wěn)步發(fā)展下去。
目前來看，除了少數(shù)需要超大算力或者存儲(chǔ)容量且對(duì)芯片體積、能耗極為敏感的領(lǐng)域，1納米及以上的成熟工藝幾乎已經(jīng)完全可以滿足民用類芯片的所有需求。除非在新的通信技術(shù)加持下推出需要超大算力、存儲(chǔ)容量的爆款應(yīng)用產(chǎn)品，否則很難讓普通消費(fèi)者為手機(jī)支付較大開支，來進(jìn)一步大幅提升性能。眾所周知，先進(jìn)工藝代工價(jià)格非常昂貴，民用芯片一是考慮性能，二就是價(jià)格。
喬安表示，根據(jù)目前先進(jìn)制程領(lǐng)導(dǎo)廠商臺(tái)積電、三星及英特爾所發(fā)布的制程路徑圖觀察，先進(jìn)制程的發(fā)展仍然在持續(xù)進(jìn)行。然而如同上述，在半導(dǎo)體制程逐漸逼近物理極限的趨勢(shì)下，晶體管架構(gòu)的改變、新興材料的應(yīng)用、亦或是封裝技術(shù)的演進(jìn)都會(huì)是摩爾定律延續(xù)下去的重點(diǎn)。
先進(jìn)工藝肯定會(huì)遭遇物理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風(fēng)險(xiǎn)，后摩爾時(shí)代的重點(diǎn)將不會(huì)聚焦在無限制提升工藝制程上面，而是通過先進(jìn)封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構(gòu)，甚至提升軟件層面的算法，來提升芯片的運(yùn)算效率，在這些領(lǐng)域，可供提升的空間還很大，創(chuàng)道投資咨詢總經(jīng)理步日欣向《中國電子報(bào)》記者表示。
