2nm：半导体企业的一场创新竞赛

作者：时间：2023-04-28来源：半导体产业纵横收藏

近日，格芯以非法使用知识产权和商业秘密为由起诉了美国 IBM。而日本 Rapidus 公司计划利用 IBM 提供的技术，在日本国内再次量产先进产品，而这里的先进产品指的就是 2 纳米芯片。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202304/446127.htm

虽然 3 纳米还未得到普及，但是产业围绕 2 纳米的讨论却一直热烈。为了发展 2 纳米制程，不只晶圆厂摩拳擦掌，芯片制造设备公司也已经将 2 纳米的设备提上日程。据 TechNews 的报道，光刻机大厂 ASML 已向台湾地区相关部门申请研发补贴，以资助 2 纳米晶圆光学测量设备的开发和生产。

官司打起来了，ASML 也动起来了，2 纳米似乎真的离我们不远了。

2 纳米的主要竞争者

以目前台积电在晶圆制造领域的地位来看，行业对台积电的 2 纳米自然是最期待的。与此同时，2 纳米也是行业所期待的代工市场转折点。ICVIEWS 盘点了目前公布 2 纳米计划的市场参与者的规划，发现各家 2 纳米的问世时间基本都规划在了 2025 年，同时结构方面都选择了 GAA。如果各公司的研发可以顺利进行，在不久之后，或许可以看到先进制程市场的百花齐放。

台积电 2 纳米 2025 年如期上线

2022 年技术研讨会上，台积电正式公布了其 N2（2 纳米级）制造技术，当时台积电表示该技术计划于 2025 年某个时间投入生产，并将成为台积电第一个使用其基于纳米片的栅极全方位场效应的节点晶体管（GAAFET）。新节点将使芯片设计人员能够显著降低其产品的功耗，根据台积电公布的 N2 技术指标，可以看到，相较于其 N3E（3 纳米的低成本版）工艺，在相同功耗下，台积电 2 纳米工艺的性能将提升 10%～15%；而在相同性能下，台积电 2 纳米工艺的功耗将降低 23%～30%；晶体管密度提升 10%。

在近日召开的 Q1 季度财报会上，台积电表示客户对 2 纳米工艺热情高涨，并且重申 2 纳米将按计划在 2025 年量产，同时台积电也表示原本计划建立成熟制程的高雄厂未来将改成先进制程。从目前台积电透露的信息来看，台积电对于 2 纳米能按时交付颇有自信。

三星向台积电看齐

已经量产 3 纳米的三星与台积电对 2 纳米上线的规划时间一样，都是目标是到 2025 年大规模生产先进的 2 纳米技术芯片，同时三星也宣布计划到 2027 年大规模生产 1.4 纳米芯片。不同于台积电在 2 纳米开始选择 GAA，三星从 3 纳米制程就开始使用 GAA 结构。所以相对于台积电，三星似乎在新结构方面会更有经验，这也成为三星在 2 纳米制程中的节点的优势之一。

英特尔 2 纳米计划 2024 年问世

自 2021 年初帕特·基辛格出任 CEO，英特尔提出了包括 Intel 7、4、3、20A、18A 在内的五大先进制程路线图。2022 年，有消息称基于 Intel 20A 工艺的 Arrow Lake 已经有内测芯片流片，2023 年 3 月台湾媒体表示，英特尔全球高级副总裁兼中国区董事长王锐透露，Intel20A（业界的 2 纳米制程）和 Intel 18A（相当于 1.8 纳米制程）已经流片。

这一进度符合英特尔在规划中提出的 intel20A 2024 年上半年投产，那么或许也可以期待 Intel18A 2024 年下半年投产。目前来看，英特尔的 2 纳米有望最早问世。

2 纳米制程的黑马 Rapidus

除了代工的三大巨头，一家日本公司也声势浩大地加入了 2 纳米的竞争。

2022 年 8 月，8 家日本顶级企业：索尼、丰田汽车、日本电信电话、日本电气、日本电装、软银、铠侠和三菱日联银行分别出资 3 亿-10 亿日元不等，合资打造了这家定位高端芯片公司。同年 12 月，IBM 宣布将与 Rapidus 合作计划于 2025 年在日本启动 2 纳米制程制造基地。

IBM 的加入让 Rapidus 的计划看起来更加有希望，IBM 虽然已经不再是 IDM 公司，但仍保留了一家芯片制造研发中心。而在 2021 年，IBM 推出全球首款 2 纳米制程的芯片。同样 IBM 的 2 纳米也使用了 GAA 结构。所以，可以说 Rapidus 虽然起步晚了一些，但在 2 纳米制程方面也有了底气。

2 纳米的粮草：都在路上

兵马未动，粮草先行。2 纳米芯片的制造也离不开设备、材料等其他环节的研究。

ASML 准备好了吗？

光刻机作为芯片制造中最关键的设备，ASML 成为代工厂们竞相追逐的对象。毕竟当下全球范围内，仅有 ASML 能供应 7 纳米以下的 EUV。

在 2022 SPIE 高级光刻会议上，ASML 介绍了 EUV 的最新进展。根据 ASML 最新消息，新款 EUV 光刻机正在研发中，NA 将从 0.33 增加到 0.55（NA 是光学系统的数值孔径，表示光线的入射角度），2 纳米工艺的芯片都将依赖其实现。与 EXE:5000 相比，EXE:5200 预计将带来几项改进，包括更高的生产率等等。

2022 年 1 月 19 日，英特尔向 ASML 订购了最新款高 NA EXE:5200 光刻机。英特尔称，公司将成为 ASML 第一台 EXE:5200 的买家。随后，台积电、三星也有所动作。在 2022 年 6 月 17 日举行的技术研讨会上，台积电研发高级副总裁米玉杰透露，台积电将在 2024 年引入 ASML 的最新机器。三星电子的实际负责人李在镕也已经到访荷兰光刻机龙头 ASML。

二维材料，成 2 纳米的新宠

对于 2 纳米需要的新型材料，二维材料是目前半导体行业所关注的重点。

在 2021 年年台积电就曾透露将在 2 纳米节点采用新的二维材料。当时，台积电表示正在研究的新材料包括二硫化钨（WuS2）和碳纳米管等二维材料。这些二维材料能够更有效地移动电子，并让芯片实现更节能的计算。

和晶体管结构的变化类似，二维材料的应用也是为了解决晶体管微缩后带来的量子效应，解决漏电发热、提升芯片能耗，并减小芯片面积。相比于当前的硅材料，二维材料厚度可小于 1 纳米，相当于一至三层原子，逼近固态半导体材料厚度的极限。二维半导体材料天生更适用于 2 纳米及之后的先进制程，二硫化钨和碳纳米管是目前最具代表性的二维材料。

近日，台积电和麻省理工（MIT）共同提出了一项有关铋的研究。据介绍，半金属铋（Bismuth，化学符号 Bi）则有望成为二维材料（2D materials）的接触电极。

晶圆的背面：背面供电技术

随着摩尔定律逼近极限，晶圆制造的研究正在寻找新的角度。

IMEC 在 2022 年 IEEE VLSI 技术和电路研讨会上，展示了通过纳米硅通孔（nTSV）在埋地电源轨（BPR）上的进行背面供电。IMEC 称，这是未来基于 2 纳米制程的 2.5D 和 3D 芯片的关键技术，该方案将在系统层面提高芯片整体供电性能，避免受到功率密度提升和电源电压下降的影响。目前三星、台积电、英特尔都透露将在 2 纳米制程中使用背面供电技术。

此外，随着芯片制程演进和晶体管结构的改变，新的互连技术被业内视作 2 纳米制程中降低整体电阻和 RC 延迟的关键。台积电和三星电子也十分看重互连技术对先进制程的影响，均在各自的先进封装技术中有所布局。台积电的芯片互连技术路线图更是拓展到了 2035 年，要在 2035 年前实现 1μm 以内的 SoIC 互连。

3 纳米市场怎么样？

业界都在关心 2 纳米，不过眼前 3 纳米的市场怎么样呢？

有观点认为三星和台积电都在 3 纳米上花了不少心思，但从过去的新闻和厂商的公告可以看到，似乎大家都对第一代的 3 纳米工艺不感兴趣。例如市场上一度传言，苹果会成为台积电第一代 3 纳米工艺的唯一客户。不过，这家美国巨头迄今都没有公布其 3 纳米产品。

本月美国芯片公司 Marvell 表示，公司基于台积电 3 纳米工艺打造的数据中心芯片正式发布。这也是台积电的首款已公布的 3 纳米芯片，据 Marvell 介绍，公司在该节点中的业界首创硅构建模块包括 112G XSR SerDes（串行器/解串行器）、Long Reach SerDes、PCIe Gen 6 / CXL 3.0 SerDes 和 240 Tbps 并行芯片到芯片互连。

台积电的 3 纳米终于迎来了大客户，但是并不是想象中的苹果。而对比之下，三星的首个客户是一家挖矿的 ASIC 芯片公司。但之后尚没有公开信息表明三星的 3 纳米有哪些大客户下单，如果找不到外部客户下单，或许三星的客户只能是自己。

另外一家巨头英特尔还没有公布 3 纳米量产的官方消息，目前已知英特尔计划在 2023 年底推出其 3 纳米等效工艺节点。这些晶圆专为服务器级至强芯片设计。第 5 代 Xeon Emerald Rapids-SP 将采用 Intel 3 工艺制造。Emerald Rapids 将在 Sapphire Rapids 一年内作为软更新推出。与三星相比，英特尔在服务器芯片的市场份额，让英特尔的 3 纳米不会「愁卖」。当然这也要看到时候英特尔的产能与良率能否按照预期规划，满足英特尔服务器客户的需求。