1月13日,，臺積電CEO魏哲家表示,，2022年70%~80%的資本預(yù)算將用于2納米、3納米等先進工藝技術(shù)的研發(fā),。此前,，老對手三星也表示將于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。現(xiàn)在最先進的制程工藝當(dāng)屬初露鋒芒的4納米了,，而能達到此項工藝技術(shù)水平的,，全球也只有臺積電和三星兩家。根據(jù)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(chǎn)2納米的決心。雖然3納米現(xiàn)在還沒被達到量產(chǎn),，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(jīng)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(jù)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(gòu)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(chǎn)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(jīng)試產(chǎn)了3納米芯片，預(yù)計今年將會量產(chǎn),，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(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(shè),，預(yù)計2024開始運營,，主要負責(zé)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(chǎn),?！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(lǐng)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(yīng)晶體管 （VTFET） 的芯片設(shè)計技術(shù),，并表示該技術(shù)突破了目前1納米工藝設(shè)計的瓶頸。

　　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納米工藝就將會采用GAA工藝,，2納米技術(shù)將會持續(xù)采用GAA工藝，在3納米進軍2納米工藝的技術(shù)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(lǐng)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(shù)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(chǎn)品更早進入市場,，會為自身帶來一定的市場優(yōu)勢,。產(chǎn)能方面，臺積電的晶圓代工產(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(chǎn)的產(chǎn)品和一些純IC設(shè)計廠商的產(chǎn)品具有競爭關(guān)系,，客戶也會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(yán)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(shù)路線，首先把重要工藝命名進行了修改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，其中將會采用兩項RibbonFET,、PowerVia技術(shù),。其中RibbonFET技術(shù)是英特爾自FinFET技術(shù)以來推的首個技術(shù)。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(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,，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(chǎn)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(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(shù)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(gòu)方式的轉(zhuǎn)變和優(yōu)化就是技術(shù)的象征,。

　　對于2納米的研發(fā)來說,，新型材料的選擇與應(yīng)用一樣會起到至關(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)的演進都會是芯片持續(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,、超快邏輯運算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　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(jīng)有國際研發(fā)機構(gòu)成功實現(xiàn)小規(guī)模的研發(fā)實驗,，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(shù)關(guān)注的重點在于晶體管架構(gòu)將由FinFET正式進入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。

　　從目前的各個大廠公布的技術(shù)來看,，GAA（Gate-All-Around）FET全柵場效應(yīng)晶體管技術(shù)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(shè)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(shè)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(jīng)滿足2納米的開發(fā)需求了呢,？

　　張彬磊認為,，當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)需要的光刻機目前ASML還在開發(fā)中。

　　目前已量產(chǎn)的光刻機還不能滿足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，可滿足2納米的研發(fā)和生產(chǎn)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(chǎn)。但具體來看，滿足2納米制程生產(chǎn)需求的光刻機還需要突破光學(xué)分辨率的問題,，道阻且長,。同時，為適應(yīng)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(jīng)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(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、存儲容量的爆款應(yīng)用產(chǎn)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(jù)目前先進制程領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體制程逐漸逼近物理極限的趨勢下,，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(fēng)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(gòu),，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(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》記者表示,。