半導(dǎo)體制程不斷微縮，面臨物理極限，全球2nm先進(jìn)制程戰(zhàn)爭已全面開啟。繼臺積電、三星、IBM加碼2nm后，日本新成立芯片公司Rapidus，并曾表示最早在2025年在日本建立2nm半導(dǎo)體制造基地。作為曾經(jīng)在芯片制造領(lǐng)域稱霸一時的英特爾，雖錯過了10nm和7nm的商機(jī)，但在最近的Q3財報中公布英特爾20A第一批內(nèi)部測試芯片已流片。

摩爾定律日漸放緩，2nm將是先進(jìn)制程的極限嗎？2nm之爭為何如此重要？英特爾將能通過“Intel 20A”工藝搶占先機(jī)嗎？

摩爾定律放緩，2nm是目前競逐的目標(biāo)

在集成電路光刻技術(shù)的發(fā)展階段，受到的主要是光的波長限制。所以科學(xué)家們所做的工作主要是不斷降低用于曝光的光線波長以此來不斷提高光刻分辨率。隨著分辨率變高，同樣大小的硅晶圓上，可以生產(chǎn)更多的芯片。

21世紀(jì)以來，可量產(chǎn)的芯片制程從130nm發(fā)展到了如今的3nm。2015年半導(dǎo)體進(jìn)入了14nm時代，是芯片制程發(fā)展的一個分水嶺。2017年，芯片制程步入10nm時代，而英特爾停在了10nm，i5和i7處理器由于良率問題而遲遲無法交貨。2018年，7nm來臨，英特爾至今無法突破。反觀其競爭對手臺積電，3nm制程已于2021年風(fēng)險量產(chǎn)。

而2nm作為3nm之后的下一個先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，對于目前技術(shù)的革新十分關(guān)鍵。

TrendForce分析師喬安表示，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(jìn)都會是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關(guān)鍵。而業(yè)界認(rèn)為，在新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和新材料的引入上，2nm有望成為新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在晶體管結(jié)構(gòu)上，根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)將逐步被環(huán)繞式柵極（Gate-All-Around FET，以下簡稱“GAA”）結(jié)構(gòu)所取代。相比于FinFET，GAA結(jié)構(gòu)可以更為精確地減少漏電損耗，降低功耗。

2nm發(fā)展已是大勢所趨，臺積電、三星以及英特爾紛紛布局2nm賽道，希望占據(jù)先進(jìn)制程的“制高點(diǎn)”。

群雄競逐2nm，頭部廠商各顯神通

臺積電一馬當(dāng)先啟動2nm研發(fā)

在2019年，臺積電便宣布啟動2nm工藝的研發(fā)。今年7月份，臺積電曾宣布將花費(fèi)1萬億元新臺幣（約合人民幣 2290億元）擴(kuò)大2nm產(chǎn)能布局，并在2024年試產(chǎn)，2025年開始量產(chǎn)。臺積電表示，2nm芯片比3nm的運(yùn)算速度快10%至15%，省電達(dá)25%至30%。

有業(yè)界消息表示，臺積電在2nm先進(jìn)制程研發(fā)上取得重大突破，已成功找到路徑，將切入GAA技術(shù)。另外，業(yè)內(nèi)人士指出，臺積電位于新竹科學(xué)園區(qū)寶山園區(qū)的2nm芯片廠，該工廠于2022年年中剛剛獲得土地，即將開始地面工程，但該廠將于2025年開始商業(yè)運(yùn)營。

TrendForce數(shù)據(jù)顯示，目前臺積電的代工市場份額接近52.9%。臺積電在先進(jìn)制程上一直處于領(lǐng)先地位，其于2018年推出7nm，2020年推出5nm，今年3nm也即將量產(chǎn)，因此有望在2025年率先實(shí)現(xiàn)2nm量產(chǎn)。

三星最先采用GAA結(jié)構(gòu)

三星方面，根據(jù)計劃，2nm工藝上將采用GAA結(jié)構(gòu)，以取代目前主流的鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)。但在今年6月份，三星方面官方宣布，基于GAA結(jié)構(gòu)的3nm制程芯片已開始初步生產(chǎn)。在今年上半年試產(chǎn)使用GAA結(jié)構(gòu)的新工藝后，三星計劃在2023年將其引入第二代3nm芯片中，并在2025年量產(chǎn)基于GAA結(jié)構(gòu)的2nm芯片。三星在3nm就已經(jīng)走過了GAA的學(xué)習(xí)曲線，這是一個很大的優(yōu)勢。

在投入力度上，三星也可謂一擲千金。財報顯示，雖然2021年三星電子在半導(dǎo)體領(lǐng)域投資約337億美元，與臺積電約300億美元投入相當(dāng)，但在未來五年，三星則宣布將投資3600億美元用于半導(dǎo)體先進(jìn)制程，年均超700億美元。

IBM搶跑2nm制造工藝

IBM是先進(jìn)工藝研發(fā)的佼佼者，它曾率先推出7nm、5nm乃至2nm工藝。2021年5月，IBM發(fā)布了全球首個2nm制造工藝，可用于5G、量子計算和數(shù)據(jù)中心，并在美國紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2nm工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。

據(jù)外媒此前報道，IBM已與三星、英特爾簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。不過，該技術(shù)目前仍處在概念驗(yàn)證階段，可能還需幾年才能投入市場。

日企聯(lián)合開發(fā)2nm

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。

據(jù)外媒消息，IBM將和Rapidus合作開發(fā)2nm芯片。該協(xié)議是日本斥資數(shù)十億美元重振其萎靡不振的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、減少對中國臺灣地區(qū)芯片生產(chǎn)的依賴并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)安全的一部分。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)大臣西村康稔近日在新聞發(fā)布會上表示：“我們希望通過與美國和其他國家的研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)合作，加強(qiáng)日本半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和競爭力”。

2nm之戰(zhàn)，英特爾能否搶占先機(jī)？

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，也在積極探索2nm及更先進(jìn)制程，目標(biāo)是到2030年成為全球第二大代工廠。

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。

根據(jù)去年公布的計劃，英特爾將在美國亞利桑那州投資約200億美元，新建兩座晶圓制造工廠。而進(jìn)入2022年以來，英特爾還宣布新增200億美元在俄亥俄州再建兩座新晶圓廠，并計劃于2025年投產(chǎn)。英特爾除了在美國亞利桑那州、俄亥俄州和新墨西哥州等地大力投資芯片制造設(shè)施外，還在2月份收購了以色列代工廠Tower Semiconductor。在全球范圍內(nèi)，將對愛爾蘭和德國的晶圓廠進(jìn)行投資，同時保留Tower在日本的分公司。

英特爾2022年第三季度財報顯示，更先進(jìn)的Intel 18A/20A目前進(jìn)展順利，這些新的制程節(jié)點(diǎn)將受益于RibbonFET和PowerVia兩大突破性技術(shù)。第一批內(nèi)部芯片已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中測試，另外還有一個潛在的外部客戶，其下一代產(chǎn)品已在Intel 18A工藝上流片。英特爾此次公布的Intel 20A進(jìn)展，無疑是英特爾在芯片制造領(lǐng)域的付出的結(jié)果顯現(xiàn)。雖然只是“內(nèi)部測試芯片已流片”，但相較臺積電和三星的2nm工藝進(jìn)展還是比較快的。若英特爾、三星、臺積電的2nm工藝都如期發(fā)布，那么Intel 20A就是“王炸”，英特爾的工藝將會在一段時間內(nèi)保持“世界第一”的位置。

但是，芯片市場的反饋往往需要一個較長周期，英特爾此前被臺積電、三星拉開差距后，尋回客戶的信任也需要較長時間。作為芯片制造商和設(shè)計者的雙重角色，英特爾很難說服英偉達(dá)、AMD、蘋果和高通向英特爾代工服務(wù)（IFA）下大單，因此英特爾在代工領(lǐng)域趕超三星，也將是一個漫長的過程，讓我們拭目以待。