芯片巨頭開戰(zhàn)2納米

今年1月，荷蘭ASML生產(chǎn)的第一臺High-NA EUV光刻機首次開箱面世。這臺總重約150噸、需250個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，臺積電是跑得最快的選手。

據(jù)臺灣《工商時報》3月29日報道，臺積電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)計臺積電寶山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。

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

除臺積電外，2納米賽道上也出現(xiàn)了三星、英特爾追趕的身影。

作為與臺積電在5納米、3納米纏斗多年的老對手，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)外界對其“靠改名領(lǐng)先對手”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“新對手”。早年靠制造芯片創(chuàng)業(yè)，但后來被臺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，先進(jìn)制程芯片幾乎全部外包給臺積電代工。

但自從現(xiàn)任CEO帕特·基辛格上臺后，公司便在其領(lǐng)導(dǎo)之下計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)時間與兩大對手相近，2024年下半年準(zhǔn)備就緒量產(chǎn)，2025年會推出基于18A的產(chǎn)品。

距離臺積電、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。面對臺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會——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。

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個月便會增加一倍，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作為研究機構(gòu)，尚不具備量產(chǎn)的能力，2納米制程芯片從實驗室到量產(chǎn)，還需要一段時間。

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。在臺積電為2納米芯片設(shè)計的技術(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側(cè)面，而非傳統(tǒng)的三個，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)兩個階段。芯片廠首先在實驗室不計代價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)部門就會接手，依次進(jìn)行風(fēng)險試產(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，為保持足夠快的迭代節(jié)奏，芯片廠商會保持“量產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代”的工作流程。

據(jù)《財經(jīng)十一人》此前報道，臺積電一般會有三個團(tuán)隊，同步開展三代制程的研究。一個團(tuán)隊從事3納米制程的研發(fā)和良率的提升，一個團(tuán)隊從事2納米制程的研發(fā)，還有一個團(tuán)隊會進(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)隊就會跳到1.5納米的團(tuán)隊加入研發(fā)，1.5納米的團(tuán)隊就跳往下一代更小制程的路徑研發(fā)，如此滾動接力。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、臺積電、英特爾三家已經(jīng)公布的時間表，2納米將在2025年實現(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，臺積電創(chuàng)始人張忠謀也持有同一觀點。

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；英特爾獨立對外部客戶的服務(wù)則主要集中在Intel 18A制程上。她判斷，預(yù)計要到2026年才會看到各家2納米產(chǎn)品出現(xiàn)在市面上。

芯片制程的迭代已經(jīng)形成了一個涉及多個行業(yè)參與者、技術(shù)和市場動態(tài)的成熟生態(tài)系統(tǒng)，其中不僅包括臺積電、三星等半導(dǎo)體制造商，還包括英偉達(dá)、AMD等設(shè)計和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)的國際研究機構(gòu)Omdia的半導(dǎo)體研究總監(jiān)何暉告訴記者，臺積電這一類成熟的芯片制造廠商一直都是保持相對固定的迭代模式，某一代制程芯片實現(xiàn)量產(chǎn)了，同年就會對外公布下一代的目標(biāo)，包括制程工藝與量產(chǎn)時間。

何暉判斷，80%的良率是臺積電大規(guī)模量產(chǎn)的基本標(biāo)準(zhǔn)，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，臺積電都是該領(lǐng)域碾壓對手的霸主。半導(dǎo)體行業(yè)長期又是一個頭部效應(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，臺積電同樣已經(jīng)領(lǐng)先競爭對手多個身位，以最近的上一代3納米制程最為典型，臺積電目前被普遍認(rèn)為是市場上唯一的勝利者。

此前與臺積電激烈競爭3納米的對手主要是三星。2022年6月，三星宣布推出的3納米制程工藝，領(lǐng)先臺積電近6個月，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)人士對記者分析，三星雖然在7納米、5納米及3納米上緊咬臺積電，但從客戶的選擇來看，主要是作為臺積電的“二供”。據(jù)TrendFoce研報此前透露，高通將選擇臺積電、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。

與之形成鮮明對比，臺積電從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廠商是采用3納米制程的主要客戶，安卓機廠商會在其后陸續(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CPU SoC芯片（系統(tǒng)級芯片）將會是最主要的應(yīng)用。據(jù)臺媒Wccftech報道，臺積電已經(jīng)打算在2024年將3納米月產(chǎn)能提高至10萬片，同時專注于進(jìn)一步提高良品率。同時，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)計的全球十大晶圓代工廠，臺積電穩(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)人士對記者表示，英特爾今年一季度開始內(nèi)部重組，將設(shè)計與制造徹底分開，將晶圓代工業(yè)務(wù)獨立且自負(fù)盈虧是其一項重要改革。另值得關(guān)注的是，ASML今年生產(chǎn)的High-NA EUV光刻機，英特爾是業(yè)內(nèi)第一家拿到首批6臺的客戶，這一系列動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SoC芯片，數(shù)據(jù)中心芯片對于先進(jìn)制程的需求較為保守，英偉達(dá)GTC大會上發(fā)布的最先進(jìn)B200芯片使用的仍是臺積電的4納米方案，但隨著算力需求快速膨脹，其不久之后勢必會將先進(jìn)制程芯片總量推向一個前所未有的量級，先進(jìn)制程芯片的產(chǎn)能仍是各家爭搶的目標(biāo)。

臺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納米將會是芯片巨頭搶灘的關(guān)鍵一戰(zhàn)。