文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
5nm良率還在改善，3nm剛剛投產(chǎn)，而各大晶圓廠對(duì)于2nm的角逐已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段。自從2021年，IBM發(fā)布了全球首個(gè)2nm制造工藝，晶圓代工廠的2nm制程便像按了加速器般，整個(gè)芯片市場(chǎng)也將越來(lái)越多的精力向2nm轉(zhuǎn)移。
搶跑2nm
在2019年，臺(tái)積電便宣布啟動(dòng)2nm工藝的研發(fā)。據(jù)悉，臺(tái)積電首個(gè)2nm工廠——新竹N2廠正在進(jìn)行土地取得作業(yè)，該廠將分四期建設(shè)，共建設(shè)4座12英寸晶圓廠，有望在2024年為蘋(píng)果手機(jī)量產(chǎn)新一代芯片。
三星電子正計(jì)劃通過(guò)在未來(lái)三年內(nèi)打造2nm工藝來(lái)追趕臺(tái)積電，目標(biāo)是到 2025 年大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)的 2nm芯片，到 2027 年大規(guī)模生產(chǎn) 1.4nm 芯片。
自2021年提出IDM 2.0戰(zhàn)略后，英特爾瞄準(zhǔn)了從7nm至1.8nm的多代制程研發(fā)計(jì)劃，計(jì)劃一年一代推進(jìn)，其中2024年將量產(chǎn)2nm制程，2025年量產(chǎn)1.8nm制程。
近日，包括豐田汽車和索尼集團(tuán)在內(nèi)的八家日本公司合作成立了一家芯片公司Rapidus，目標(biāo)是在2030年前開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)2nm及以下半導(dǎo)體，日本政府將向Rapidus投資700億日元（約4.93億美元）加入八家企業(yè)支持者行列。
甚至歐盟委員會(huì)也提出數(shù)字化轉(zhuǎn)型最新目標(biāo)：到2030年，歐洲先進(jìn)和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值至少占全球生產(chǎn)總值的20%，生產(chǎn)能力沖刺2nm，能效達(dá)到今天的10倍。
先進(jìn)制程的發(fā)展步伐正在加快，然而3nm技術(shù)還未完全成熟，為何已有多方開(kāi)始布局2nm？
2nm如何成為香餑餑？
“到了未來(lái)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，間距微縮將減緩，硅晶體管似乎只能安全地微縮至2nm，而在那之后，我們可能就會(huì)開(kāi)始使用石墨烯?！毙酒圃斓暮诵能浖﨓DA巨頭新思科技（Synopsys）研究專家Victor Moroz的這句話道出了2nm技術(shù)的重要性：2nm或許是硅芯片的最后一戰(zhàn)。
除材料的革新外，2nm還涉及諸多埃米制程新工藝，占據(jù)了2nm的技術(shù)優(yōu)勢(shì)相當(dāng)于領(lǐng)先掌握埃米制程。臺(tái)積電向來(lái)都是代工領(lǐng)域的先行者，這個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，已成為必爭(zhēng)之地。
對(duì)于三星來(lái)說(shuō)，2nm的研究進(jìn)程在很大程度上受到了臺(tái)積電的推動(dòng)。蘋(píng)果、英偉達(dá)、AMD、英特爾和高通向來(lái)都是先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)能的預(yù)定者，而在3nm制程中三星由于良率問(wèn)題，導(dǎo)致訂單都向臺(tái)積電傾斜，一家獨(dú)大帶來(lái)價(jià)格攀升，此時(shí)若三星可以在2nm做出成績(jī)想必會(huì)得到不錯(cuò)的收益。在產(chǎn)能面前臺(tái)積電向來(lái)都是擴(kuò)產(chǎn)大戶，而EUV作為2nm制造最重要的設(shè)備，倘若不抓緊做動(dòng)作，本就緊缺的EUV光刻機(jī)會(huì)不斷交付到臺(tái)積電手中，因此三星的步伐必須加快。
作為曾經(jīng)的芯片制造巨頭英特爾，在10nm及7nm上被臺(tái)積電、三星拉開(kāi)差距后，積極探索2nm及更先進(jìn)制程的目的也是相對(duì)清晰，欲憑借先進(jìn)制程的發(fā)展重回王者地位，搶占2nm高地是其必然要邁出的一步。
再來(lái)看看2nm對(duì)日本的意義。對(duì)于日本來(lái)說(shuō)，在全球疫情、缺芯、產(chǎn)業(yè)變革以及地緣博弈的沖擊之下，各國(guó)力促半導(dǎo)體制造業(yè)回流、構(gòu)建自主產(chǎn)業(yè)鏈的做法儼然已成為新的“較量場(chǎng)”。曾經(jīng)在半導(dǎo)體領(lǐng)域輝煌又逐漸沒(méi)落、在設(shè)備和材料領(lǐng)域依舊保持強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力的日本半導(dǎo)體業(yè)自然想要重回半導(dǎo)體制造高位，把技術(shù)掌握在自己手中，這個(gè)入口就是2nm。IBM宣布正與日本政府支持的芯片制造商Rapidus合作，以幫助其制造目前最先進(jìn)的芯片。IBM是全球首個(gè)發(fā)布2nm芯片制造技術(shù)的公司，此次兩家公司聯(lián)手也符合今年5月美日宣布合作生產(chǎn)2nm的信息。
各大廠商為爭(zhēng)奪先進(jìn)晶圓廠第一的寶座，競(jìng)相把2nm作為先進(jìn)制程競(jìng)爭(zhēng)的拐點(diǎn)，然而2nm能否快速到來(lái)還存在較大疑問(wèn)，畢竟2nm本身就是晶圓代工巨頭的一場(chǎng)賭注，其中還有諸多難題仍待攻克。
高墻壁壘諸多
技術(shù)攻克難
在“2nm技術(shù)戰(zhàn)”中，各家公司都分別在晶體管結(jié)構(gòu)、光刻、材料、封裝等進(jìn)行核心技術(shù)創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)。
背面供電技術(shù)就是三星、英特爾以及臺(tái)積電在2nm的共同選擇，不過(guò)想將背面供電技術(shù)應(yīng)用在批量生產(chǎn)中仍有很長(zhǎng)的路要走。比如英特爾背面電源網(wǎng)絡(luò)在晶圓加工過(guò)程中就存在諸多挑戰(zhàn)，包括如何在下一代RibbonFET晶體管周圍的狹小空間內(nèi)圖案化電接觸特征，同時(shí)不影響其性能；以及怎樣減薄背面硅，以可重復(fù)和可控的方式提供盡可能直接和低電阻的連接等一系列問(wèn)題。
同樣三星的MBCFET與臺(tái)積電的GAAFET都是首次應(yīng)用，相關(guān)的蝕刻及量測(cè)問(wèn)題尚待克服，材料、化學(xué)品等也需要提升，新工藝在整個(gè)制造過(guò)程中都有可能由于各環(huán)節(jié)的不兼容帶來(lái)諸多不穩(wěn)定性。
光刻機(jī)陪跑
2nm工藝對(duì)EUV光刻機(jī)具有更高的依賴性，高數(shù)值孔徑的EUV技術(shù)以及光源、掩模工具等技術(shù)均亟待優(yōu)化。在光刻過(guò)程中，互聯(lián)金屬電阻的惡化、高精度沉積與刻蝕工藝的需求、電路的三維集成與封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過(guò)程中必須解決的技術(shù)難題。
在光刻機(jī)的數(shù)量上，有日本專家做過(guò)推理和分析：在EUV層數(shù)方面，7nm+為5層，5nm為15層，3nm為32層，2nm將達(dá)45層。預(yù)計(jì)到2024年，啟動(dòng)2nm的大規(guī)模生產(chǎn)，2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，到時(shí)所需新EUV光刻機(jī)數(shù)預(yù)計(jì)為62臺(tái)。而目前全球的EUV主要仰仗ASML，其一年的產(chǎn)能也只有50臺(tái)左右，EUV設(shè)備的產(chǎn)量依然是一大難題。
3nm良率尚且偏低
目前可以量產(chǎn)3nm的只有三星和臺(tái)積電兩家，其中三星在今年6月就開(kāi)始量產(chǎn)3nm，但由于良率問(wèn)題一直讓三星無(wú)法承接過(guò)多的訂單。據(jù)悉，三星3nm制程良率不超過(guò)20%，為此三星表示正在與美國(guó)公司Silicon Frontline Technology擴(kuò)大合作，希望通過(guò)對(duì)方的ESD（靜電放電）預(yù)防技術(shù)，幫助三星晶圓廠改進(jìn)前端（front-end）工藝和芯片性能。
在良率問(wèn)題上，臺(tái)積電的水準(zhǔn)向來(lái)是比三星高出很多，據(jù)臺(tái)媒消息，在臺(tái)積電PPT一頁(yè)內(nèi)容上顯示，其N3E 工藝進(jìn)展良好，且平均良品率達(dá)到了80%以上。不過(guò)根據(jù)此前版本劃分，N3是屬于常規(guī)版本，而N3E(Enhanced) 原本是性能增強(qiáng)版，原計(jì)劃是在N3量產(chǎn)后一年，2023年三季度之后才量產(chǎn)N3E。但根據(jù)目前不太理想的良率情況，N3E變成了精簡(jiǎn)版，規(guī)格縮水。看來(lái)臺(tái)積電在3nm良率爬坡中也遇到了較大的阻力，因此才多次修正3nm藍(lán)圖。
3nm的良率尚且如此，何況2nm。
市場(chǎng)能有多大？
在前不久的IEDM會(huì)議上，Marvell公司公布了一些數(shù)據(jù)，援引IBS機(jī)構(gòu)分析了各個(gè)工藝下芯片開(kāi)發(fā)成本，其中28nm工藝只要4280萬(wàn)美元，22nm工藝需要6300萬(wàn)美元，16nm工藝需要8960萬(wàn)美元。后面的先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)成本就直線上漲，7nm需要2.486億美元，5nm需要4.487億美元，3nm需要5.811億美元，而2nm工藝需要的開(kāi)發(fā)資金是7.248億美元，人民幣約合50億。
也就是說(shuō)，如果某家公司想要自己研發(fā)一款先進(jìn)工藝芯片，比如2nm處理器，不說(shuō)設(shè)計(jì)周期要幾年時(shí)間，光是投入的資金就得50億元， 再加上臺(tái)積電 3nm代工價(jià)目前已經(jīng)突破2萬(wàn)美元 (約合人民幣14.3萬(wàn)元)，下游成本已大幅拉升。
在生產(chǎn)成本暴增下，芯片廠商勢(shì)必會(huì)將成本壓力轉(zhuǎn)嫁到下游客戶，但如今宏觀經(jīng)濟(jì)前景黯淡，用戶消費(fèi)越來(lái)越理性，手機(jī)、PC市場(chǎng)持續(xù)下滑，面對(duì)如此敏感的價(jià)格有多少終端廠商敢貿(mào)然提價(jià)，又有多少消費(fèi)者肯出錢買單？
2nm的發(fā)展是否操之過(guò)急？
先進(jìn)制程雖好，但實(shí)現(xiàn)難度既艱難適用范圍也有其局限性。在更廣闊的領(lǐng)域，如工業(yè)以及軍事領(lǐng)域，先進(jìn)制程芯片反而沒(méi)有成熟制程芯片可靠。如民用芯片、工業(yè)芯片和軍用芯片所要求的正常工作的溫度范圍就有很大不同。民用級(jí)要求0℃~70℃、工業(yè)級(jí)要求-40℃~85℃、軍用級(jí)要求-55℃~125℃，這僅僅是溫度這一項(xiàng)指標(biāo)，工業(yè)、軍用級(jí)芯片還有抗干擾、抗沖擊乃至航空航天級(jí)別的抗輻射等等要求，這些反而是更精密、更細(xì)小的先進(jìn)制程芯片所難以達(dá)到的。
從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，成熟制程已經(jīng)能滿足大多數(shù)電子設(shè)備以及國(guó)防設(shè)備的智能化需求；從技術(shù)水平看，成熟制程也比先進(jìn)制程更加穩(wěn)定、可靠且產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)更加完備；最后在經(jīng)濟(jì)成本上對(duì)比，對(duì)于量產(chǎn)規(guī)模不大、售價(jià)不高的中低端電子設(shè)備而言，成熟制程的芯片更具有性價(jià)比。況且多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域并不需要用到更先進(jìn)的2nm制程。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜而龐大的芯片產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，制程并不是衡量芯片價(jià)值的唯一標(biāo)準(zhǔn)，良品率和產(chǎn)量同為重要。