半导体制程不断微缩，面临物理极限，全球2nm先进制程战争已全面开启。继台积电、三星、IBM加码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半导体制造基地。作为曾经在芯片制造领域称霸一时的英特尔，虽错过了10nm和7nm的商机，但在最近的Q3财报中公布英特尔20A第一批内部测试芯片已流片。 摩尔定律日渐放缓，2nm将是先进制程的极限吗？2nm之争为何如此重要？英特尔将能通过“Intel 20A”工艺抢占先机吗？ 01 摩尔定律放缓，2nm是目前竞逐的目标 在集成电路光刻技术的发展阶段，受到的主要是光的波长限制。所以科学家们所做的工作主要是不断降低用于曝光的光线波长以此来不断提高光刻分辨率。随着分辨率变高，同样大小的硅晶圆上，可以生产更多的芯片。 21世纪以来，可量产的芯片制程从130nm发展到了如今的3nm。2015年半导体进入了14nm时代，是芯片制程发展的一个分水岭。2017年，芯片制程步入10nm时代，而英特尔停在了10nm，i5和i7处理器由于良率问题而迟迟无法交货。2018年，7nm来临，英特尔至今无法突破。反观其竞争对手台积电，3nm制程已于2021年风险量产。 而2nm作为3nm之后的下一个先进工艺节点，对于目前技术的革新十分关键。 TrendForce分析师乔安表示，半导体制程已逐渐逼近物理极限，因此晶体管架构的改变、新兴材料的应用、亦或是封装技术的演进都会是芯片持续提高效能、降低功耗的关键。而业界认为，在新结构的创新和新材料的引入上，2nm有望成为新的转折点。 在晶体管结构上，根据国际器件和系统路线图的规划，在2021～2022年以后，鳍式场效应晶体管（FinFET）结构将逐步被环绕式栅极（Gate-All-Around FET，以下简称“GAA”）结构所取代。相比于FinFET，GAA结构可以更为精确地减少漏电损耗，降低功耗。 2nm发展已是大势所趋，台积电、三星以及英特尔纷纷布局2nm赛道，希望占据先进制程的“制高点”。 02 群雄竞逐2nm，头部厂商各显神通 台积电一马当先启动2nm研发 在2019年，台积电便宣布启动2nm工艺的研发。今年7月份，台积电曾宣布将花费1万亿元新台币（约合人民币 2290亿元）扩大2nm产能布局，并在2024年试产，2025年开始量产。台积电表示，2nm芯片比3nm的运算速度快10%至15%，省电达25%至30%。 有业界消息表示，台积电在2nm先进制程研发上取得重大突破，已成功找到路径，将切入GAA技术。另外，业内人士指出，台积电位于新竹科学园区宝山园区的2nm芯片厂，该工厂于2022年年中刚刚获得土地，即将开始地面工程，但该厂将于2025年开始商业运营。 TrendForce数据显示，目前台积电的代工市场份额接近52.9%。台积电在先进制程上一直处于领先地位，其于2018年推出7nm，2020年推出5nm，今年3nm也即将量产，因此有望在2025年率先实现2nm量产。 三星最先采用GAA结构 三星方面，根据计划，2nm工艺上将采用GAA结构，以取代目前主流的鳍式场效应晶体管（FinFET）结构。但在今年6月份，三星方面官方宣布，基于GAA结构的3nm制程芯片已开始初步生产。在今年上半年试产使用GAA结构的新工艺后，三星计划在2023年将其引入第二代3nm芯片中，并在2025年量产基于GAA结构的2nm芯片。三星在3nm就已经走过了GAA的学习曲线，这是一个很大的优势。 在投入力度上，三星也可谓一掷千金。财报显示，虽然2021年三星电子在半导体领域投资约337亿美元，与台积电约300亿美元投入相当，但在未来五年，三星则宣布将投资3600亿美元用于半导体先进制程，年均超700亿美元。 IBM抢跑2nm制造工艺 IBM是先进工艺研发的佼佼者，它曾率先推出7nm、5nm乃至2nm工艺。2021年5月，IBM发布了全球首个2nm制造工艺，可用于5G、量子计算和数据中心，并在美国纽约州奥尔巴尼的工厂展示了2nm工艺生产的完整300mm晶圆。 据外媒此前报道，IBM已与三星、英特尔签署了联合开发协议。不过，该技术目前仍处在概念验证阶段，可能还需几年才能投入市场。 日企联合开发2nm 近日，包括丰田汽车和索尼集团在内的八家日本公司合作成立了一家芯片公司Rapidus，目标是在2030年前开发和生产2nm及以下半导体，日本政府将向Rapidus投资700亿日元（约4.93亿美元）加入八家企业支持者行列。 据外媒消息，IBM将和Rapidus合作开发2nm芯片。该协议是日本斥资数十亿美元重振其萎靡不振的半导体产业、减少对中国台湾地区芯片生产的依赖并促进经济安全的一部分。经济产业大臣西村康稔近日在新闻发布会上表示：“我们希望通过与美国和其他国家的研究机构和产业合作，加强日本半导体相关产业的基础和竞争力”。 03 2nm之战，英特尔能否抢占先机？ 作为曾经的芯片制造巨头英特尔，在10nm及7nm上被台积电、三星拉开差距后，也在积极探索2nm及更先进制程，目标是到2030年成为全球第二大代工厂。 自2021年提出IDM 2.0战略后，英特尔瞄准了从7nm至1.8nm的多代制程研发计划，计划一年一代推进，其中2024年将量产2nm制程，2025年量产1.8nm制程。 根据去年公布的计划，英特尔将在美国亚利桑那州投资约200亿美元，新建两座晶圆制造工厂。而进入2022年以来，英特尔还宣布新增200亿美元在俄亥俄州再建两座新晶圆厂，并计划于2025年投产。英特尔除了在美国亚利桑那州、俄亥俄州和新墨西哥州等地大力投资芯片制造设施外，还在2月份收购了以色列代工厂Tower Semiconductor。在全球范围内，将对爱尔兰和德国的晶圆厂进行投资，同时保留Tower在日本的分公司。 英特尔2022年第三季度财报显示，更先进的Intel 18A/20A目前进展顺利，这些新的制程节点将受益于RibbonFET和PowerVia两大突破性技术。第一批内部芯片已经在实验室中测试，另外还有一个潜在的外部客户，其下一代产品已在Intel 18A工艺上流片。英特尔此次公布的Intel 20A进展，无疑是英特尔在芯片制造领域的付出的结果显现。虽然只是“内部测试芯片已流片”，但相较台积电和三星的2nm工艺进展还是比较快的。若英特尔、三星、台积电的2nm工艺都如期发布，那么Intel 20A就是“王炸”，英特尔的工艺将会在一段时间内保持“世界第一”的位置。 但是，芯片市场的反馈往往需要一个较长周期，英特尔此前被台积电、三星拉开差距后，寻回客户的信任也需要较长时间。作为芯片制造商和设计者的双重角色，英特尔很难说服英伟达、AMD、苹果和高通向英特尔代工服务（IFA）下大单，因此英特尔在代工领域赶超三星，也将是一个漫长的过程，让我们拭目以待。 |
