中國儲能網訊：1月13日，臺積電CEO魏哲家表示，2022年70%~80%的資本預算將用于2納米、3納米等先進工藝技術的研發(fā)。此前，老對手三星也表示將于2025年量產2納米。去年，英特爾調整了技術路線，大踏步向2納米進軍，而IBM展示的2納米工藝制程也著實讓人驚艷了一陣子。新年伊始， 2納米作為階段性制高點，吹響了芯片先進制程之戰(zhàn)的號角。
臺積電與三星的戰(zhàn)爭
目前，在先進工藝這一賽道上，玩家只剩下了臺積電、三星、英特爾和IBM?，F(xiàn)在最先進的制程工藝當屬初露鋒芒的4納米了，而能達到此項工藝技術水平的，全球也只有臺積電和三星兩家。根據此前臺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2納米的決心。雖然3納米現(xiàn)在還沒被達到量產，但從幾大廠商在3納米上的研發(fā)進度就可初見端倪。
臺積電（南京）有限公司總經理羅鎮(zhèn)球曾公開表示，臺積電正在用新工藝證明了，摩爾定律仍在持續(xù)往前推進。作為先進工藝的推動者，臺積電2018年推出7納米，2020年推出5納米， 2022年將會如期推出3納米，而且2納米工藝也在順利研發(fā)。
據臺積電官方資料顯示，臺積電的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%。臺積電將在2納米節(jié)點推出Nanosheet/Nanowire的晶體管架構并采用新的材料，在性能、功耗和密度也將進一步提升。
賽迪顧問集成電路產業(yè)研究中心高級分析師楊俊剛向《中國電子報》表示，臺積電將會在2納米芯片中采用GAAFET工藝，目前來看臺積電已經試產了3納米芯片，預計今年將會量產，但是臺積電3納米的工藝現(xiàn)在還是采用FinFET工藝，從研發(fā)到生產上，F(xiàn)inFET轉到GAAFET還需要有一定的適應調節(jié)能力。
平面晶體管與FinFET以及GAA FET示意圖
資料來源：LamResearch
“從質量和產量兩方面考慮，臺積電無疑會率先推出2納米代工工藝，目前臺積電投資約300億美金的Fab20正在建設，預計2024開始運營，主要負責3/2/1納米先進工藝，2025年2納米將在這里最早實現(xiàn)量產?！毙局\研究高級分析師張彬磊篤定的向《中國電子報》記者表示。
三星作為臺積電最強有力的對手，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域與臺積電展開競爭，全球敢這么叫板臺積電的也就只有三星了。在IEDM 2021 國際電子元件大會上，三星更是攜手IBM宣布了一種名為垂直傳輸場效應晶體管 (VTFET) 的芯片設計技術，并表示該技術突破了目前1納米工藝設計的瓶頸。
2021年10月，三星宣布3納米芯片已經開始成功流片，將于2022年上半年開始生產，2納米芯片將于2025年量產，并且3納米工藝就將會采用GAA工藝，2納米技術將會持續(xù)采用GAA工藝，在3納米進軍2納米工藝的技術節(jié)點上將會節(jié)省一些步驟。
TrendForce:2021第三季全球前十晶圓代工企業(yè)市場份額占比排名
盡管三星的進步很大，但與臺積電的差距仍然很大——市場研究公司TrendForce的報告中顯示，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，市場份額卻從2020年的17.3%下降到17.1%。而臺積電第三季度占比53.1%，比第二季度的52.9% 增加了0.2個百分點。楊俊剛認為，原因在于臺積電在晶圓代工領域積累了豐富的客戶資源，包括蘋果、華為、高通、英偉達等。而且先進工藝技術快速且穩(wěn)定，對于蘋果、華為、高通等追求先進制程迭代速率較快的企業(yè)，產品更早進入市場，會為自身帶來一定的市場優(yōu)勢。產能方面，臺積電的晶圓代工產能領先三星于三倍之多，在產能使用和保障上，規(guī)模更大的廠商會更有優(yōu)勢。其次，臺積電屬于純晶圓代工廠，而三星是一個IDM企業(yè)，自身生產的產品和一些純IC設計廠商的產品具有競爭關系，客戶也會在挑選代工廠商上有所考慮。
張彬磊從產品品質方面指出，按照以往的經驗來看，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重過熱問題，性能也低于臺積電所代工的芯片，使得三星很難擴大市場占有率。
英特爾、IBM左右逢源
英特爾“牙膏廠”的名號在外甚是響亮，原因就在于研發(fā)進度過慢，工藝停留在7納米的時間過長，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到了危機感一樣，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上，公布了英特爾最新的技術路線，首先把重要工藝命名進行了修改10納米技術改名Intel 7，7納米技術改為Intel4,5納米技術改成Intel 3,2納米技術改成Intel20A，Intel20A工藝也是開始由FinFET工藝轉向了GAA晶體管，其中將會采用兩項RibbonFET、PowerVia技術。其中RibbonFET技術是英特爾自FinFET技術以來推的首個技術。并且英特爾表示將會尋求和臺積電合作，雙方共同加強對2納米工藝技術的研發(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納米工藝生產的完整300mm晶圓。據預計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體管。相比之下，臺積電5nm工藝每平方毫米約為1.71億個晶體管，三星5nm工藝每平方毫米約為1.27億個晶體管。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，并未實現(xiàn)真正產業(yè)化，采用了GAA工藝，使2納米的晶體管密度達到了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?！睏羁偨榻B到。但張彬磊認為，這種實驗室工藝，與量產工藝差距很大。IBM和英特爾應該把目標放在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，就像我們在做手工時，都需要擁有合適且優(yōu)秀的材料、熟練且完善的技術和先進且趁手的工具，在先進制程的研發(fā)中更是如此，其中晶體管架構方式的轉變和優(yōu)化就是技術的象征。
對于2納米的研發(fā)來說，新型材料的選擇與應用一樣會起到至關重要的作用。喬安表示，半導體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關鍵。
中國科學院院士張躍指出，硅基集成電路制程與制造技術經歷了數(shù)十年的發(fā)展，特別是在高端芯片領域已經形成了完整的產業(yè)鏈與技術鏈。近年來，二維材料及其范德華異質結電子學器件已經在超低功耗晶體管、超快邏輯運算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲等領域表現(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有國際研發(fā)機構成功實現(xiàn)小規(guī)模的研發(fā)實驗，未來通過中試和量產后，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咨詢顧問池憲念向《中國電子報》記者表示。
目前，2納米制程技術關注的重點在于晶體管架構將由FinFET正式進入GAAFET世代，相較于FinFET，GAAFET架構為四面環(huán)繞式包覆，更能有效提高效能同時控制漏電 (降低功耗)；TSMC在2納米將正式導入GAAFET，而Samsung2納米制程將為其第二代GAAFET架構制程，預期整體穩(wěn)定性及效能都將更加提升。TrendForce集邦咨詢分析師喬安表示。
從目前的各個大廠公布的技術來看，GAA（Gate-All-Around）FET全柵場效應晶體管技術將會成為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計。溝道整個外輪廓都被柵極完美包裹，對溝道的控制能力會更好，并且擁有更好的靜電特性，尺寸能夠進一步微縮。
最后是硬件設備是否足夠先進可以支撐2納米的制造，自然就是指光刻機，而現(xiàn)有的光刻機是否已經滿足2納米的開發(fā)需求了呢？
張彬磊認為,當前的光刻機支持2納米工藝研發(fā)完全沒有問題，5納米量產工藝的光刻機使用多層曝光工藝就可以實現(xiàn)。但是考慮到成本，量產需要的光刻機目前ASML還在開發(fā)中。
目前已量產的光刻機還不能滿足2納米的開發(fā)需求。據公開信息，荷蘭ASML公司正在研發(fā)High NA（高數(shù)值孔徑）EUV光刻機，可滿足2納米的研發(fā)和生產需求。首臺High NA EUV光刻機將于2023年開放早期測試，并從2025年開始量產。但具體來看，滿足2納米制程生產需求的光刻機還需要突破光學分辨率的問題，道阻且長。同時，為適應2納米的開發(fā)需求，光刻膠也需要進行進一步的革新以滿足光刻機更高分辨率的需求。
2納米之后
盡管現(xiàn)在處于后摩爾時代中，但2納米的研發(fā)已經慢慢出現(xiàn)了輪廓，但是否還會向1納米發(fā)展，甚至進入埃米時代，先進工藝的發(fā)展歷程是否還會穩(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容量且對芯片體積、能耗極為敏感的領域，1納米及以上的成熟工藝幾乎已經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加持下推出需要超大算力、存儲容量的爆款應用產品，否則很難讓普通消費者為手機支付較大開支，來進一步大幅提升性能。眾所周知，先進工藝代工價格非常昂貴，民用芯片一是考慮性能，二就是價格。
喬安表示，根據目前先進制程領導廠商臺積電、三星及英特爾所發(fā)布的制程路徑圖觀察，先進制程的發(fā)展仍然在持續(xù)進行。然而如同上述，在半導體制程逐漸逼近物理極限的趨勢下，晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是摩爾定律延續(xù)下去的重點。
先進工藝肯定會遭遇物理瓶頸，摩爾定律也肯定面臨失效風險，后摩爾時代的重點將不會聚焦在無限制提升工藝制程上面，而是通過先進封裝、Chiplet、優(yōu)化芯片架構，甚至提升軟件層面的算法，來提升芯片的運算效率，在這些領域，可供提升的空間還很大，創(chuàng)道投資咨詢總經理步日欣向《中國電子報》記者表示。
