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2nm制造工藝，晶圓代工廠的2nm制程便像按了加速器般，整個芯片市場也將越來越多的精力向2nm轉(zhuǎn)移。
搶跑2nm
在2019年，臺積電便宣布啟動2nm工藝的研發(fā)。據(jù)悉，臺積電首個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年為蘋果手機(jī)量產(chǎn)新一代芯片。
三星電子正計劃通過在未來三年內(nèi)打造2nm工藝來追趕臺積電，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)計劃，計劃一年一代推進(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，為何已有多方開始布局2nm？
2nm如何成為香餑餑？
“到了未來的技術(shù)節(jié)點，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，我們可能就會開始使用石墨烯?！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)勢相當(dāng)于領(lǐng)先掌握埃米制程。臺積電向來都是代工領(lǐng)域的先行者，這個節(jié)點對于臺積電來說，已成為必爭之地。
對于三星來說，2nm的研究進(jìn)程在很大程度上受到了臺積電的推動。蘋果、英偉達(dá)、AMD、英特爾和高通向來都是先進(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題，導(dǎo)致訂單都向臺積電傾斜，一家獨大帶來價格攀升，此時若三星可以在2nm做出成績想必會得到不錯的收益。在產(chǎn)能面前臺積電向來都是擴(kuò)產(chǎn)大戶，而EUV作為2nm制造最重要的設(shè)備，倘若不抓緊做動作，本就緊缺的EUV光刻機(jī)會不斷交付到臺積電手中，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上被臺積電、三星拉開差距后，積極探索2nm及更先進(jìn)制程的目的也是相對清晰，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。
再來看看2nm對日本的意義。對于日本來說，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”。曾經(jīng)在半導(dǎo)體領(lǐng)域輝煌又逐漸沒落、在設(shè)備和材料領(lǐng)域依舊保持強(qiáng)大競爭力的日本半導(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。
各大廠商為爭奪先進(jìn)晶圓廠第一的寶座，競相把2nm作為先進(jìn)制程競爭的拐點，然而2nm能否快速到來還存在較大疑問，畢竟2nm本身就是晶圓代工巨頭的一場賭注，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)新競爭。
背面供電技術(shù)就是三星、英特爾以及臺積電在2nm的共同選擇，不過想將背面供電技術(shù)應(yīng)用在批量生產(chǎn)中仍有很長的路要走。比如英特爾背面電源網(wǎng)絡(luò)在晶圓加工過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題。
同樣三星的MBCFET與臺積電的GAAFET都是首次應(yīng)用，相關(guān)的蝕刻及量測問題尚待克服，材料、化學(xué)品等也需要提升，新工藝在整個制造過程中都有可能由于各環(huán)節(jié)的不兼容帶來諸多不穩(wěn)定性。
光刻機(jī)陪跑
2nm工藝對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)的開發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過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)計到2024年，啟動2nm的大規(guī)模生產(chǎn)，2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，到時所需新EUV光刻機(jī)數(shù)預(yù)計為62臺。而目前全球的EUV主要仰仗ASML，其一年的產(chǎn)能也只有50臺左右，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的只有三星和臺積電兩家，其中三星在今年6月就開始量產(chǎn)3nm，但由于良率問題一直讓三星無法承接過多的訂單。據(jù)悉，三星3nm制程良率不超過20%，為此三星表示正在與美國公司Silicon Frontline Technology擴(kuò)大合作，希望通過對方的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。
在良率問題上，臺積電的水準(zhǔn)向來是比三星高出很多，據(jù)臺媒消息，在臺積電PPT一頁內(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變成了精簡版，規(guī)格縮水。看來臺積電在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。
市場能有多大？
在前不久的IEDM會議上，Marvell公司公布了一些數(shù)據(jù)，援引IBS機(jī)構(gòu)分析了各個工藝下芯片開發(fā)成本，其中28nm工藝只要4280萬美元，22nm工藝需要6300萬美元，16nm工藝需要8960萬美元。后面的先進(jìn)工藝開發(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工藝需要的開發(fā)資金是7.248億美元，人民幣約合50億。
也就是說，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，不說設(shè)計周期要幾年時間，光是投入的資金就得50億元， 再加上臺積電 3nm代工價目前已經(jīng)突破2萬美元 (約合人民幣14.3萬元)，下游成本已大幅拉升。
在生產(chǎn)成本暴增下，芯片廠商勢必會將成本壓力轉(zhuǎn)嫁到下游客戶，但如今宏觀經(jīng)濟(jì)前景黯淡，用戶消費越來越理性，手機(jī)、PC市場持續(xù)下滑，面對如此敏感的價格有多少終端廠商敢貿(mào)然提價，又有多少消費者肯出錢買單？
2nm的發(fā)展是否操之過急？
先進(jìn)制程雖好，但實現(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。民用級要求0℃~70℃、工業(yè)級要求-40℃~85℃、軍用級要求-55℃~125℃，這僅僅是溫度這一項指標(biāo)，工業(yè)、軍用級芯片還有抗干擾、抗沖擊乃至航空航天級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)域來看，成熟制程已經(jīng)能滿足大多數(shù)電子設(shè)備以及國防設(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)成本上對比，對于量產(chǎn)規(guī)模不大、售價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。對于一個復(fù)雜而龐大的芯片產(chǎn)業(yè)來說，制程并不是衡量芯片價值的唯一標(biāo)準(zhǔn)，良品率和產(chǎn)量同為重要。