芯片巨頭開戰(zhàn)2納米

今年1月，荷蘭ASML生產(chǎn)的第一臺(tái)High-NA EUV光刻機(jī)首次開箱面世。這臺(tái)總重約150噸、需250個(gè)集裝箱才能裝下的龐然巨物，可將世界上最先進(jìn)的芯片制程從3納米進(jìn)一步縮小至2納米。它的出現(xiàn)也打響了半導(dǎo)體廠商量產(chǎn)2納米芯片的第一槍。

作為全球排名第一的晶圓代工廠，臺(tái)積電是跑得最快的選手。

據(jù)中國臺(tái)灣《工商時(shí)報(bào)》3月29日?qǐng)?bào)道，臺(tái)積電2納米制程布局全線提速，公司位于新竹寶山Fab20 P1廠將于4月進(jìn)行設(shè)備安裝工程，為其2納米芯片量產(chǎn)熱身準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)臺(tái)積電寶山P1、P2及高雄三座先進(jìn)制程晶圓廠均于2025年量產(chǎn)，吸引蘋果、英偉達(dá)、AMD及高通等客戶爭搶產(chǎn)能。

雖然臺(tái)積電回復(fù)媒體稱不發(fā)表評(píng)論，但按照公司2022年7月在投資者會(huì)議上公布的路線圖，2納米制程將在2024年試產(chǎn)，2025年量產(chǎn)。臺(tái)積電正按規(guī)劃時(shí)間表如期于今年開啟2納米芯片的生產(chǎn)。

除臺(tái)積電外，2納米賽道上也出現(xiàn)了三星、英特爾追趕的身影。

作為與臺(tái)積電在5納米、3納米纏斗多年的老對(duì)手，三星在2納米的競爭上也步步緊逼。根據(jù)韓國媒體ZDNet報(bào)道，三星已通知客戶和合作伙伴，將從今年年初開始將其第二代3納米制程更名為2納米制程。雖然公司始終未回應(yīng)外界對(duì)其“靠改名領(lǐng)先對(duì)手”的質(zhì)疑，但日前已官宣2納米或?qū)⒃诮衲甑浊伴_始量產(chǎn)。

而英特爾則是重返賽場的“新對(duì)手”。早年靠制造芯片創(chuàng)業(yè)，但后來被臺(tái)積電與三星甩在身后，又在10納米、7納米制程上接連折戟后，英特爾在芯片制造領(lǐng)域明顯掉隊(duì)，先進(jìn)制程芯片幾乎全部外包給臺(tái)積電代工。

但自從現(xiàn)任CEO帕特·基辛格上臺(tái)后，公司便在其領(lǐng)導(dǎo)之下計(jì)劃重振制造芯片的晶圓代工業(yè)務(wù)。在2月份舉辦的首屆Intel Foundry Direct Connect大會(huì)上，英特爾公布了旗下intel 18A（按照英特爾官方定義為1.8納米、但業(yè)內(nèi)通常將其與對(duì)手的2納米進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?、及更先進(jìn)的未來制程路線圖，且intel 18A規(guī)劃的量產(chǎn)時(shí)間與兩大對(duì)手相近，2024年下半年準(zhǔn)備就緒量產(chǎn)，2025年會(huì)推出基于18A的產(chǎn)品。

距離臺(tái)積電、三星在2022年推出3納米制程芯片剛滿一年，2納米的競爭就已經(jīng)被提上日程。面對(duì)臺(tái)積電全球第一大芯片代工廠的領(lǐng)先地位，三星、英特爾都不約而同地將2納米看作彎道超車的機(jī)會(huì)——前者喊話要在三年之內(nèi)重奪芯片市場第一，后者誓言要在2030年建成全球第二大代工廠。

2納米變成新戰(zhàn)場

按照半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)典的摩爾定律，集成電路可容納的晶體管數(shù)目，每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能相應(yīng)也增加一倍。大眾所知的幾納米通常指代晶體管的尺寸，為在集成電路上盡可能容納更多的晶體管，從10納米到7納米，再到5納米、3納米，晶體管尺寸越做越小，芯片也相應(yīng)越來越小。

2納米最早出現(xiàn)在2021年。IBM當(dāng)時(shí)發(fā)布了全球首顆2納米制程的芯片。根據(jù)官方資料介紹，IBM的這顆2納米制程芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上，與7納米制程的芯片相比，其運(yùn)算速度將快45%，效率則將提高75%。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為IBM作為研究機(jī)構(gòu)，尚不具備量產(chǎn)的能力，2納米制程芯片從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)，還需要一段時(shí)間。

在芯片制程尺寸不斷縮小的過程中，芯片廠商需要解決的問題更多，例如漏電。在臺(tái)積電為2納米芯片設(shè)計(jì)的技術(shù)方案中，首次用上了GAAFET架構(gòu)。GAAFET架構(gòu)全稱全包圍柵場效應(yīng)晶體管，與突破14納米制程以下沿用的FinFET架構(gòu)不同，GAAFET利用柵電極覆蓋電流通道的四個(gè)側(cè)面，而非傳統(tǒng)的三個(gè)，能夠讓晶體管繼續(xù)縮小下去而不漏電，從而允許在降低運(yùn)行功率的情況下顯著提高性能。

類似具有里程碑意義的方案還包括晶圓背面供電。較于傳統(tǒng)正面供電，這項(xiàng)技術(shù)能夠降低電壓降，從而減少功耗，顯著提升芯片性能的表現(xiàn)。

此前，三星已經(jīng)在其3納米制程上采用了上述兩項(xiàng)技術(shù)方案，英特爾也在持續(xù)跟進(jìn)。多位產(chǎn)業(yè)人士表示，從2納米開始，GAAFET與背部供電將會(huì)成為行業(yè)標(biāo)配。

長期關(guān)注半導(dǎo)體制程工藝的全德學(xué)投資總監(jiān)方亮向界面新聞介紹，每一代制程在內(nèi)部大致分研發(fā)與量產(chǎn)兩個(gè)階段。芯片廠首先在實(shí)驗(yàn)室不計(jì)代價(jià)地投入制造出少量的晶圓，緊接著掌握技術(shù)、提升良率至30%-40%；然后量產(chǎn)部門就會(huì)接手，依次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)、小規(guī)模量產(chǎn)，再到大規(guī)模量產(chǎn)，不斷推高良率并提升產(chǎn)能。等到芯片良率達(dá)到60%-70%左右，就可以基本保證“商業(yè)化階段湊活夠用”。

當(dāng)一家芯片廠商在某代制程芯片上可以保持80%以上的良率，月產(chǎn)能攀升至10萬片，它就基本能在這一代先進(jìn)制程工藝上站穩(wěn)腳跟。

同時(shí)，為保持足夠快的迭代節(jié)奏，芯片廠商會(huì)保持“量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲(chǔ)備一代”的工作流程。

據(jù)《財(cái)經(jīng)十一人》此前報(bào)道，臺(tái)積電一般會(huì)有三個(gè)團(tuán)隊(duì)，同步開展三代制程的研究。一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個(gè)團(tuán)隊(duì)從事2納米制程的研發(fā)，還有一個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)行1.5納米制程路徑的研發(fā)。3納米制程量產(chǎn)后，3納米制程的團(tuán)隊(duì)就會(huì)跳到1.5納米的團(tuán)隊(duì)加入研發(fā)，1.5納米的團(tuán)隊(duì)就跳往下一代更小制程的路徑研發(fā)，如此滾動(dòng)接力。因此外界看來每兩年推出一代先進(jìn)制程的周期，內(nèi)部布局常常有五六年之久。

按照三星、臺(tái)積電、英特爾三家已經(jīng)公布的時(shí)間表，2納米將在2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，而該年被行業(yè)視作一道分水嶺。隨著芯片尺寸越做越小，每一代制程的成本投入更大，性能提升的幅度反而更小。

摩爾定律的提出者、已故的英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾曾預(yù)測摩爾定律的極限將于2025年左右到來，臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀也持有同一觀點(diǎn)。

巨頭站位之爭

TrendForce集邦咨詢分析師喬安接受采訪分析稱，目前觀察各家2納米芯片的客戶狀況來看，以臺(tái)積電最為積極，已有超過10家客戶導(dǎo)入研發(fā)；三星的2納米基礎(chǔ)仍建立在其3納米制程技術(shù)上，需要持續(xù)觀察良率改善情況；英特爾獨(dú)立對(duì)外部客戶的服務(wù)則主要集中在Intel 18A制程上。她判斷，預(yù)計(jì)要到2026年才會(huì)看到各家2納米產(chǎn)品出現(xiàn)在市面上。

芯片制程的迭代已經(jīng)形成了一個(gè)涉及多個(gè)行業(yè)參與者、技術(shù)和市場動(dòng)態(tài)的成熟生態(tài)系統(tǒng)，其中不僅包括臺(tái)積電、三星等半導(dǎo)體制造商，還包括英偉達(dá)、AMD等設(shè)計(jì)和IP公司，像蘋果、聯(lián)發(fā)科、高通智能終端客戶經(jīng)常需要參與共同開發(fā)。

專注于科技行業(yè)的國際研究機(jī)構(gòu)Omdia的半導(dǎo)體研究總監(jiān)何輝告訴記者，臺(tái)積電這一類成熟的芯片制造廠商一直都是保持相對(duì)固定的迭代模式，某一代制程芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)了，同年就會(huì)對(duì)外公布下一代的目標(biāo)，包括制程工藝與量產(chǎn)時(shí)間。

何輝判斷，80%的良率是臺(tái)積電量產(chǎn)的一個(gè)最低限度，而像其內(nèi)部成熟的技術(shù)工藝，如5納米，良率應(yīng)該已經(jīng)超過95%，大規(guī)模量產(chǎn)就已經(jīng)可以持續(xù)盈利。

作為全球排名第一的芯片制造廠商，無論從技術(shù)成熟度，還是從生產(chǎn)能力與規(guī)模而言，臺(tái)積電都是該領(lǐng)域碾壓對(duì)手的霸主。半導(dǎo)體行業(yè)長期又是一個(gè)頭部效應(yīng)極度明顯的市場格局，“老大吃肉，老二喝湯，老三挨餓”是常態(tài)。

在沖擊2納米的賽道上，臺(tái)積電同樣已經(jīng)領(lǐng)先競爭對(duì)手多個(gè)身位，以最近的上一代3納米制程最為典型，臺(tái)積電目前被普遍認(rèn)為是市場上唯一的勝利者。

此前與臺(tái)積電激烈競爭3納米的對(duì)手主要是三星。2022年6月，三星宣布推出的3納米制程工藝，領(lǐng)先臺(tái)積電近6個(gè)月，但之后便陸續(xù)被媒體曝出深陷良率黑洞，無法滿足客戶要求。

有行業(yè)人士對(duì)記者分析，三星雖然在7納米、5納米及3納米上緊咬臺(tái)積電，但從客戶的選擇來看，主要是作為臺(tái)積電的“二供”。據(jù)TrendFoce研報(bào)此前透露，高通將選擇臺(tái)積電、三星作為最新一代驍龍?zhí)幚砥?納米芯片的“雙供應(yīng)商”，但最終又因良率問題放棄，全面轉(zhuǎn)投臺(tái)積電。目前，三星3納米芯片在業(yè)內(nèi)并未傳出有大客戶買單。

與之形成鮮明對(duì)比，臺(tái)積電從2022年12月推出3納米制程后，良率與產(chǎn)能穩(wěn)步爬坡，接連拿下蘋果、高通、聯(lián)發(fā)科等大客戶訂單，3納米芯片產(chǎn)量正在開始逐步增加，目標(biāo)要在2024年下半年實(shí)現(xiàn)80%產(chǎn)能利用率。

目前市場上以蘋果為代表的智能手機(jī)廠商是采用3納米制程的主要客戶，安卓機(jī)廠商會(huì)在其后陸續(xù)發(fā)布相應(yīng)的產(chǎn)品。

2025年是3納米制程的普及之年，智能手機(jī)CPU SoC芯片（系統(tǒng)級(jí)芯片）將會(huì)是最主要的應(yīng)用。據(jù)臺(tái)媒Wccftech報(bào)道，臺(tái)積電已經(jīng)打算在2024年將3納米月產(chǎn)能提高至10萬片，同時(shí)專注于進(jìn)一步提高良品率。同時(shí)，三星也在盡全力提升良率、爭取用戶。

三家之中，英特爾在芯片制造領(lǐng)域長年缺少存在感。

根據(jù)TrendForce歷年統(tǒng)計(jì)的全球十大晶圓代工廠，臺(tái)積電穩(wěn)定以60%上下的市場份額穩(wěn)居第一，三星約占10%排第二，英特爾僅在2023年第三季度首次入選，份額只有1%，下一季度又被其他廠商超越。

但也有行業(yè)人士對(duì)記者表示，英特爾今年一季度開始內(nèi)部重組，將設(shè)計(jì)與制造徹底分開，將晶圓代工業(yè)務(wù)獨(dú)立且自負(fù)盈虧是其一項(xiàng)重要改革。另值得關(guān)注的是，ASML今年生產(chǎn)的High-NA EUV光刻機(jī)，英特爾是業(yè)內(nèi)第一家拿到首批6臺(tái)的客戶，這一系列動(dòng)作都可以解讀出這家老牌芯片巨頭“壯士斷腕”、發(fā)力2納米的決心。

當(dāng)前市場對(duì)先進(jìn)制程芯片的需求只增不減。隨著AI熱潮的爆發(fā)，英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心GPU芯片在全球搶購成風(fēng)，雖然相比于智能手機(jī)SoC芯片，數(shù)據(jù)中心芯片對(duì)于先進(jìn)制程的需求較為保守，英偉達(dá)GTC大會(huì)上發(fā)布的最先進(jìn)B200芯片使用的仍是臺(tái)積電的4納米方案，但隨著算力需求快速膨脹，其不久之后勢必會(huì)將先進(jìn)制程芯片總量推向一個(gè)前所未有的量級(jí)，先進(jìn)制程芯片的產(chǎn)能仍是各家爭搶的目標(biāo)。

臺(tái)積電董事長劉德音最近在IEEE網(wǎng)站上署名發(fā)表文章，把半導(dǎo)體行業(yè)過去50年縮小芯片尺寸的努力比作“在隧道中行走”。如今距離摩爾定律的極限越來越近，行業(yè)已經(jīng)走到隧道的盡頭，半導(dǎo)體技術(shù)將變得更加難以發(fā)展，2納米將會(huì)是芯片巨頭搶灘的關(guān)鍵一戰(zhàn)。

來源：界面新聞