NEWS
To maintain and strengthen TSMC’s technology leadership， the Company plans to continue investing heavily in R＆D． For advanced CMOS logic， the Company’s 3nm and 2nm CMOS nodes continue to progress in the pipeline． In addition,， the Company’s reinforced exploratory R＆D work is focused on beyond－2nm node and on areas such as 3D transistors,， new memory and low－R interconnect， which are on track to establish a solid foundation to feed into technology platforms．
以上一段是摘自臺積電官網(wǎng)的未來研發(fā)計劃,，從這段描述中可以看出，臺積電劍指2nm，甚至更先進的工藝,。在逼近物理極限的情況下，新工藝研發(fā)的難度以及人力和資金的投入,，也是呈指數(shù)級攀升,。在如此艱難的背景下，臺積電的底氣何在,？我認為有如下三點：
當前的先進工藝節(jié)點只是商業(yè)代號,，而非Gate Length或Half－Pitch
如果有人問芯片工藝的中的7nm、5nm指什么,？那么我相信很多人都能給出答案－－晶體管導電溝道的長度或者柵極寬度,，并且很多人也知道，當前的7nm,、5nm只是等效工藝節(jié)點,，而非真正的溝長或者柵寬。
如果進一步問一下這個問題,，當前5nm工藝真正的導電溝長或者柵寬是多少呢,？恐怕很多人回答不出來了。不賣關子了,，IEEE給出的半導體工藝road map數(shù)據(jù)是比較可信的,，從下圖中我們可以看到不同時間對應的工藝節(jié)點,，而這表里對當前工藝節(jié)點的英文描述則非常有意思，它沒有用“technology nodes”而是用Logic industry ＂Node Range＂ Labeling,。
一個Labeling可以說準確的表達了工藝命名的現(xiàn)狀,。
所以從上表中，我們可以看到,，5nm工藝節(jié)點的Gate Lenght為18nm,、3nm為16nm、2．1nm為14nm,、1．5nm／1．0nm／0．7nm則均為12nm,。在十幾納米的尺度短溝道效應可以用多種手段來克服，而量子隧穿效應并不明顯,，所以說,，臺積電說自己在2030年將擁有1nm Labeling的芯片，我也完全相信,。
事實上,，從集成電路發(fā)明以來，工藝節(jié)點的定義也在不斷發(fā)生變化,，從最初的Gate Length到現(xiàn)在,，幾乎拋棄了各種真實參數(shù)Gate Length／Half Pitch／Fin Pitch等。雖然當前的工藝命名背離了真實的工藝,，但對于臺積電,、三星等商業(yè)公司來說，顯然從工藝命名上獲得了巨大的商業(yè)上的利益和成功,。
此為底氣一,。
雄厚的資金及資源加持
半導體產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)是非常緊密的，而現(xiàn)階段全球的半導體巨頭也組成了一個巨大的利益共同體,。
臺積電擁有最先進的EUV光刻機
工欲善其事必先利其器,，光刻機作為半導體制造中最重要的設備，擁有與否則決定了一家Fab的工藝上限,。
一臺最先進的EUV光刻機價值近10億，而研發(fā)EUV光刻機的投入更是天文數(shù)字,。除了ASML,，制造光刻機還有兩家公司－－尼康和佳能，但這兩家都因為投入太高而放棄研發(fā),。
EUV光線的能量,、破壞性極高，制程的所有零件,、材料,，樣樣挑戰(zhàn)人類工藝的極限,。例如，因為空氣分子會干擾EUV光線,，生產過程得在真空環(huán)境,。而且，機械的動作得精確到誤差僅以皮秒（兆分之一秒）計,?！溉绻覀兘徊怀鯡UV的話，摩爾定律就會從此停止,，」ASML總裁暨執(zhí)行長溫彼得（Peter Wennink）說,。因此，五年前,，才會出現(xiàn)讓ASML聲名大噪的驚天交易－－英特爾,、臺積電、三星等彼此競爭的三大巨頭,，竟聯(lián)袂投資ASML41億,、8．38億、5．03億歐元,。
反過來,，臺積電也從ASML可以訂購到EUV光刻機，進行新工藝的研發(fā)和產能的擴充,。
臺積電擁有最有錢的客戶
但說到TSMC每一代最先的工藝,，總少不了一位特殊的客戶，那就是蘋果,。
5nm,，3nm甚至是2nm技術都是由蘋果和臺積電在共同研發(fā)，因此蘋果在臺積電先進工藝的產能擁有牢不可破的地位,，將會獨占業(yè)界最先進的工藝一段時間,，吃盡制程紅利。同時蘋果也是臺積電最大的客戶,，去年為臺積電貢獻了782．8 億人民幣的營收,。
此為底氣二。
2025年,？三星也可以,！
在今年10月份的三星代工論壇2021大會上，三星披露了最新的工藝進展和路線圖,。三星代工市場策略高級副總裁MoonSoo Kang透露,，2GAP工藝會在2025年量產。隨著FinFet晶體管結構潛力被挖掘殆盡,，未來3nm和2nm將采用GAA晶體管以及2．5D／3D堆疊技術,，以實現(xiàn)更好的溝道控制的同時降低功耗,。
新技術則為三星臺積電的底氣三。
為什么要追求先進工藝,？
制程工藝的提升,，可以帶來更高的晶體管密度、更強的性能以及更低的功耗,。
我們再回歸到工藝制程的原始定義,，即芯片7nm，5nm工藝中的7nm,，指的是晶體管導電溝道的長度,，通常也認為是晶體管的柵極寬度。
那么這個Gate的寬窄為什么會影響性能和功耗呢,？先說性能,，性能好意味著在一定的時間干更多的事，在處理器里就是更多的運算,，我們可以當半導體晶體管每次0／1變化就算一次運算,，那么那個紅色Gate越寬，兩個綠色電極就越遠,，導致他們直接連通一次的時間就會越長,。這就好比一個人在10分鐘里做25m往返跑的次數(shù)肯定比50m往返跑的次數(shù)多一樣。所以Gate越小,，晶體管一次狀態(tài)變化的所需時間就會越短,，單位時間的工作次數(shù)就會越多，一堆晶體管單位時間可做的運算自然就更多,，所以性能更好,。
再說說功耗。Gate是通過加電壓幫助兩個綠色電極通電的,，而Gate越寬,，就需要更高的電壓才能導通兩極，Gate越窄,，導通就更容易,，所需的電壓也就越低。
而做芯片則是性能,，功耗,，面積和成本的平衡藝術。如果制程工藝的提升能讓芯片在這幾方面都更進一步,，那么在工藝上投入大量的研發(fā)資則是可以理解的。
所以綜合以上幾個原因,，臺積電作為半導體制造環(huán)節(jié)的巨頭,，2025年量產2nm是有底氣的,。在摩爾定律放緩的今天，More Moore,、More than Moore,、Beyond CMOS等新概念層出不窮，為摩爾定律續(xù)命,。在未來十年,，半導體工藝制程依然有相當大的提升空間，所以關于半導體是夕陽產業(yè)的論調可以休矣,！
