2nm，貴在哪里？
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來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
近日，日本Rapidus 首席執(zhí)行官 Atsuyoshi Koike 在接受《日經(jīng)新聞》采訪的時候表示，與目前其他日本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)芯片相比，2nm芯片的成本將增加十倍。Rapidus是日本政府支持的半導(dǎo)體財團，其成立目的是超越世界領(lǐng)先的芯片制造商。他們認(rèn)為，其2nm 芯片對日本至關(guān)重要，因為其中一些芯片將用于對國家安全至關(guān)重要的高性能計算應(yīng)用，而其他芯片也能用于自動駕駛汽車和機器人等創(chuàng)新民用應(yīng)用。
“2nm 芯片將比當(dāng)今先進(jìn)節(jié)點制造的芯片貴得多，與當(dāng)今日本制造的‘主流’芯片（45nm）相比，價格上漲十倍，這是一個巨大的飛躍?！盇tsuyoshi Koike說。不過，即使如此貴，Atsuyoshi Koike預(yù)計，在他們于2027 年開始 量產(chǎn)2nm之后，也有公司愿意為此買單。
芯片的成本構(gòu)成
眾所周知，隨著 SoC 變得越來越復(fù)雜，圍繞它們的經(jīng)濟因素也變得越來越復(fù)雜。其中包括要集成的功能和 IP、上市速度、功率和性能規(guī)格、金屬層數(shù)、存儲器的配置方式和使用的存儲器數(shù)量以及目標(biāo)市場等所有內(nèi)容。其中每一個都有一個價格，并且它們加起來可以是一個非常大的數(shù)字。
Synopsys也在一篇博客文章中表示，每個芯片設(shè)計項目都是獨一無二的，但有五個基本因素會影響總體成本：
第一是內(nèi)容庫（Content Libraries）；據(jù)介紹，所謂內(nèi)容庫由芯片設(shè)計項目中使用的第三方IP組成，包括常用功能、輸入和輸出（I/O）電路以及片上存儲器。內(nèi)容庫許可費各不相同，但可能高達(dá)數(shù)千萬美元。此外，公司還必須支付每個芯片的使用費，這應(yīng)該計入項目預(yù)算。
第二是EDA工具；EDA工具可用于虛擬布局電路、模擬操作和驗證性能。EDA 軟件有多種形式，包括本地、云托管和軟件即服務(wù) (SaaS)。定價可以基于許可、基于使用或兩者的組合。此外，EDA 工具還需要強大的計算機和大量存儲容量，這意味著需要投資本地或云基礎(chǔ)設(shè)施。
第三是制造芯片的代工廠按硅片收費；芯片越小，組織在每個晶圓上可以獲得的芯片就越多。然而，隨著芯片尺寸變小，其他設(shè)計成本（例如研發(fā)成本）也會變得更高?？刂菩酒O(shè)計成本意味著在高效晶圓使用和現(xiàn)實研發(fā)之間找到平衡。
第四是時間；產(chǎn)品進(jìn)入市場的速度越快，項目的整體投資回報率就越高。除了設(shè)計芯片所花費的時間之外，公司還必須考慮流片和代工生產(chǎn)之間的滯后時間。每個設(shè)計都存在缺陷，在生產(chǎn)開始之前，設(shè)計師和晶圓廠必須解決這些缺陷。
最后，生產(chǎn)前的最后一步包括預(yù)測新芯片的需求并向代工廠承諾訂單。這是一項復(fù)雜且高風(fēng)險的操作。如果您訂購的芯片太少，您將出現(xiàn)供應(yīng)短缺并可能會損失銷售；如果您訂購太多，您可能會在未使用的庫存上浪費數(shù)千甚至數(shù)百萬美元。
此外，工藝的良率，芯片設(shè)計的質(zhì)量和封測，也都是芯片的成本構(gòu)成，由此可見，計算芯片的成本，并不是一件簡單的事情。
相關(guān)資料顯示，在主流節(jié)點（40 納米到 65 納米）上，如果從頭開始，新芯片的價格大約為 4000 萬美元到5000萬美元之間。但這些節(jié)點的良率很高，而且軟件開發(fā)成本也較低，且這些芯片在功能上并不處于領(lǐng)先地位，那就意味著往更先進(jìn)的工藝前進(jìn)，成本會繼續(xù)飆升。這從IBS提供的數(shù)據(jù)可以看到。如圖所示，進(jìn)入到5nm時代，芯片的設(shè)計成本可以飆升到5.4億美元，在工藝?yán)^續(xù)往后走，成本的繼續(xù)升高是可以預(yù)期的。
不同工藝節(jié)點下的芯片設(shè)計成本
2nm，貴在哪里？
要討論2nm貴在哪里，如上所述，這同時是一個復(fù)雜的問題。
不過，據(jù)筆者從相關(guān)供應(yīng)鏈了解到。進(jìn)入了這些先進(jìn)工藝，無論是IP，還是EDA工具，其成本的提高都是能夠理解的。而進(jìn)入到這些先進(jìn)芯片，因為一次性流片成本較高，這就使得相關(guān)驗證成本水漲船高，這從IBS提供的上圖可以看到，進(jìn)入到2nm芯片時代，設(shè)計的成本是可以預(yù)期的。
值得一提的是，伴隨著這些先進(jìn)工藝而生的是先進(jìn)制造和封裝工藝，這帶來的成本也是不容忽視的。
以制造端為例，根據(jù)IBS對晶圓廠的先進(jìn)工藝投資測算，如果要建設(shè)一個3nm工藝，月產(chǎn)4萬片的晶圓生產(chǎn)線，成本約為150億到200億美元。據(jù)臺灣聯(lián)合報之前報道，臺積電將斥資 1 萬億新臺幣（約合 339 億美元）在臺灣臺中市建造一座晶圓廠，生產(chǎn) 2 納米芯片。Rapidus首席執(zhí)行官Atsuyoshi Koike此前在接受采訪時曾表示，公司需要投入2萬億日元用于研發(fā)才能開始試生產(chǎn)2nm，然后需要投資3萬億日元才能開始量產(chǎn)2nm芯片。
其中，EUV光刻機和相應(yīng)配套材料的成本增加，必然會是一個重要影響因素。
從DUV往EUV光刻機推進(jìn)的時候，作為芯片制造的主要成本之一的環(huán)節(jié)光刻成本有了新的提升。但在即將進(jìn)入的high na euv光刻制造時代，單臺光刻機的制造成本將會從1億多直接飆升到三億多。雖然芯片在制造中使用的EUV的層數(shù)不會太多，例如據(jù)相關(guān)報道，在3nm工藝的時候，會采用多大25層EUV光刻曝光工藝。由此可見，這在進(jìn)入2nm時代，勢必會帶來成本的提升。
進(jìn)入到EUV時代，還有一個輔料需求增加，且成本會飆升，那就是掩模組（mask set）。
按照Semianalysis的報道，在 90nm 至 45nm 的代工工藝節(jié)點上，掩模組的成本約為數(shù)十萬美元。28 納米工藝的價格已超過 100 萬美元。對于 7nm，成本增加超過 1000 萬美元，而現(xiàn)在，當(dāng)我們跨越 3nm 障礙時，掩模組將開始進(jìn)入 4000 萬美元范圍。
晶圓成本的變化
關(guān)于芯片制造成本的飆升，我們可以從臺媒泄露的臺積電在相關(guān)晶圓報價上略知一二。
據(jù)Digitimes報道，與 N5（5 納米級）生產(chǎn)節(jié)點相比，臺積電將把使用其領(lǐng)先的 N3（3 納米級）工藝技術(shù)加工的晶圓的價格提高 25%。換而言之，采用臺積電領(lǐng)先的 N3 制造技術(shù)加工的一塊晶圓將花費超過 20,000 美元 。作為對比，N5 晶圓的成本約為 16,000 美元，如下圖所示。
報道進(jìn)一步指出，臺積電將為其即將推出的 2nm 節(jié)點進(jìn)一步提高芯片生產(chǎn)價格。新的晶圓價格預(yù)估表明，臺積電將對 2nm 芯片每片晶圓收取 25,000 美元的費用。
誰在競爭2nm？
正因為2nm無論是芯片設(shè)計還是建造晶圓廠成本都是如此昂貴，所以可以預(yù)期的是，僅有少量的廠商能夠跨入2nm這個階段。在Fabless方面，我們認(rèn)為英偉達(dá)、蘋果、高通、MTK和博通等領(lǐng)先廠商會是首批使用2nm的客戶。在晶圓制造方面，則和大家所了解的一樣，除了臺積電、三星和Intel以外，文章開頭提到的日本Rapidus會是其中的一個玩家。
首先看臺積電方面，他們在去年首先推出初始版本的2nm工藝是該代工廠第一個使用環(huán)柵 (GAAFET) 晶體管的節(jié)點，臺積電將其稱為 Nanosheet 晶體管。與當(dāng)前 FinFET 晶體管相比，GAAFET 的優(yōu)勢包括降低漏電流（因為柵極位于溝道的所有四個側(cè)面），以及調(diào)整溝道寬度以獲得更高性能或更低功耗的能力。
臺積電去年推出這項技術(shù)時表示，在相同功耗和復(fù)雜度的情況下，可以將晶體管性能提升10%到15%，或者在相同時鐘和晶體管數(shù)量的情況下，將功耗降低25%到30%。該公司還表示，N2 將提供比N3E高 15% 以上的“混合”芯片密度，這比去年宣布的 10% 密度增加有所增加。
在今年的技術(shù)大會上，臺積電表示，N2技術(shù)開發(fā)已步入正軌，該節(jié)點將于2025年進(jìn)入大批量生產(chǎn)（可能是2025年很晚）。該公司還表示，在進(jìn)入 HVM 兩年前，其 Nanosheet GAA 晶體管性能已達(dá)到目標(biāo)規(guī)格的 80% 以上，256Mb SRAM 測試 IC 的平均良率超過 50%。
臺積電的 N2 系列將在 2026 年的某個時候升級，屆時該公司計劃推出其 N2P 制造技術(shù)。N2P 將為 N2 的 Nanosheet GAA 晶體管添加背面電源軌技術(shù)。公司還在準(zhǔn)備 N2X——一個專為高性能計算 (HPC) 應(yīng)用（例如需要更高電壓和時鐘的高端 CPU）量身定制的制造工藝。
在三星方面，他們也表示，公司也將于將于 2025 年開始大規(guī)模生產(chǎn)用于移動應(yīng)用的 2nm 芯片。三星還將在2026年提供用于高性能計算的2納米芯片生產(chǎn)，并在2027年提供汽車芯片的工藝。
該公司表示，與去年推出的 3nm 工藝相比，其 2nm 工藝的性能和能效分別提高了 12% 和 25%，是芯片制造商中率先做到這一點的。三星表示，其 2nm 工藝還提供比 3nm 工藝小 5% 的芯片。該公司還表示，將于 2027 年開始量產(chǎn)采用 1.4 納米工藝的芯片。
來到Intel，他們在今年三月初的一場會議上透露，公司已經(jīng)完成了其 1.8 納米和 2 納米制造工藝開發(fā)。該公司將于 2024 年開始在內(nèi)部和第三方產(chǎn)品中使用 1.8 納米和 2 納米制造工藝。他們表示，Intel 18A 每瓦性能提高 10%。Intel 20A 的每瓦性能提高了 15%。
至于rapidus，他們則計劃通過和IBM、IMEC等機構(gòu)合作，以推進(jìn)其2nm研發(fā)。
毫無疑問，在技術(shù)以外，這是一場當(dāng)之無愧的金錢競賽。
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