2nm：半導體企業的一場創新競賽

近日，格芯以非法使用知識產權和商業秘密為由起訴了美國IBM。而日本Rapidus公司計劃利用IBM提供的技術，在日本國內再次量產先進產品，而這里的先進產品指的就是2納米芯片。

雖然3納米還未得到普及，但是產業圍繞2納米的討論卻一直熱烈。為了發展2納米制程，不只晶圓廠摩拳擦掌，芯片制造設備公司也已經將2納米的設備提上日程。據TechNews的報道，光刻機大廠ASML 已向臺灣地區相關部門申請研發補貼，以資助2 納米晶圓光學測量設備的開發和生產。

官司打起來了，ASML也動起來了，2納米似乎真的離我們不遠了。

01 2納米的主要競爭者

以目前臺積電在晶圓制造領域的地位來看，行業對臺積電的2納米自然是最期待的。與此同時，2納米也是行業所期待的代工市場轉折點。ICVIEWS盤點了目前公布2納米計劃的市場參與者的規劃，發現各家2納米的問世時間基本都規劃在了2025年，同時結構方面都選擇了GAA。如果各公司的研發可以順利進行，在不久之后，或許可以看到先進制程市場的百花齊放。

臺積電2納米 2025年如期上線

2022 年技術研討會上，臺積電正式公布了其 N2（2 納米級）制造技術，當時臺積電表示該技術計劃于 2025 年某個時間投入生產，并將成為臺積電第一個使用其基于納米片的柵極全方位場效應的節點晶體管（GAAFET）。新節點將使芯片設計人員能夠顯著降低其產品的功耗，根據臺積電公布的N2技術指標，可以看到，相較于其N3E（3納米的低成本版）工藝，在相同功耗下，臺積電2納米工藝的性能將提升10%～15%；而在相同性能下，臺積電2納米工藝的功耗將降低23%～30%；晶體管密度提升10%。

在近日召開的Q1季度財報會上，臺積電表示客戶對2納米工藝熱情高漲，并且重申2納米將按計劃在2025年量產，同時臺積電也表示原本計劃建立成熟制程的高雄廠未來將改成先進制程。從目前臺積電透露的信息來看，臺積電對于2納米能按時交付頗有自信。

三星向臺積電看齊

已經量產3納米的三星與臺積電對2納米上線的規劃時間一樣，都是目標是到 2025 年大規模生產先進的 2納米技術芯片，同時三星也宣布計劃到 2027 年大規模生產 1.4納米 芯片。不同于臺積電在2納米開始選擇GAA，三星從3納米制程就開始使用GAA結構。所以相對于臺積電，三星似乎在新結構方面會更有經驗，這也成為三星在2納米制程中的節點的優勢之一。

英特爾2納米 計劃2024年問世

自2021年初帕特·基辛格出任CEO，英特爾提出了包括Intel 7、4、3、20A、18A在內的五大先進制程路線圖。2022年，有消息稱基于Intel 20A工藝的Arrow Lake已經有內測芯片流片，2023年3月臺灣媒體表示，英特爾全球高級副總裁兼中國區董事長王銳透露，Intel20A（業界的2納米制程）和Intel 18A（相當于1.8納米制程）已經流片。

這一進度符合英特爾在規劃中提出的intel20A 2024年上半年投產，那么或許也可以期待Intel18A 2024年下半年投產。目前來看，英特爾的2納米有望最早問世。

2納米制程的黑馬Rapidus

除了代工的三大巨頭，一家日本公司也聲勢浩大地加入了2納米的競爭。

2022年8月，8家日本頂級企業：索尼、豐田汽車、日本電信電話、日本電氣、日本電裝、軟銀、鎧俠和三菱日聯銀行分別出資3億-10億日元不等，合資打造了這家定位高端芯片公司。同年12月，IBM宣布將與Rapidus合作計劃于2025年在日本啟動2納米制程制造基地。

IBM的加入讓Rapidus的計劃看起來更加有希望，IBM雖然已經不再是IDM公司，但仍保留了一家芯片制造研發中心。而在2021年，IBM推出全球首款2納米制程的芯片。同樣IBM的2納米也使用了GAA結構。所以，可以說Rapidus雖然起步晚了一些，但在2納米制程方面也有了底氣。

02 2納米的糧草：都在路上

兵馬未動，糧草先行。2納米芯片的制造也離不開設備、材料等其他環節的研究。

ASML準備好了嗎？

光刻機作為芯片制造中最關鍵的設備，ASML成為代工廠們競相追逐的對象。畢竟當下全球范圍內，僅有ASML能供應7納米以下的EUV。

在 2022 SPIE 高級光刻會議上，ASML介紹了 EUV 的最新進展。根據 ASML 最新消息，新款 EUV 光刻機正在研發中，NA 將從 0.33 增加到 0.55（NA 是光學系統的數值孔徑，表示光線的入射角度），2納米工藝的芯片都將依賴其實現。與 EXE:5000 相比，EXE:5200 預計將帶來幾項改進，包括更高的生產率等等。

2022年 1 月 19 日，英特爾向 ASML 訂購了最新款高 NA EXE:5200 光刻機。英特爾稱，公司將成為 ASML 第一臺 EXE:5200 的買家。隨后，臺積電、三星也有所動作。在2022年 6 月 17 日舉行的技術研討會上，臺積電研發高級副總裁米玉杰透露，臺積電將在 2024 年引入ASML的最新機器。三星電子的實際負責人李在镕也已經到訪荷蘭光刻機龍頭ASML。

二維材料，成2納米的新寵

對于2納米需要的新型材料，二維材料是目前半導體行業所關注的重點。

在2021年年臺積電就曾透露將在2納米節點采用新的二維材料。當時，臺積電表示正在研究的新材料包括二硫化鎢（WuS2）和碳納米管等二維材料。這些二維材料能夠更有效地移動電子，并讓芯片實現更節能的計算。

和晶體管結構的變化類似，二維材料的應用也是為了解決晶體管微縮后帶來的量子效應，解決漏電發熱、提升芯片能耗，并減小芯片面積。相比于當前的硅材料，二維材料厚度可小于1納米，相當于一至三層原子，逼近固態半導體材料厚度的極限。二維半導體材料天生更適用于2納米及之后的先進制程，二硫化鎢和碳納米管是目前最具代表性的二維材料。

近日，臺積電和麻省理工（MIT）共同提出了一項有關鉍的研究。據介紹，半金屬鉍（Bismuth，化學符號Bi）則有望成為二維材料（2D materials）的接觸電極。

晶圓的背面：背面供電技術

隨著摩爾定律逼近極限，晶圓制造的研究正在尋找新的角度。

IMEC在2022年IEEE VLSI技術和電路研討會上，展示了通過納米硅通孔（nTSV）在埋地電源軌（BPR）上的進行背面供電。IMEC稱，這是未來基于2納米制程的2.5D和3D芯片的關鍵技術，該方案將在系統層面提高芯片整體供電性能，避免受到功率密度提升和電源電壓下降的影響。目前三星、臺積電、英特爾都透露將在2納米制程中使用背面供電技術。

此外，隨著芯片制程演進和晶體管結構的改變，新的互連技術被業內視作2納米制程中降低整體電阻和RC延遲的關鍵。臺積電和三星電子也十分看重互連技術對先進制程的影響，均在各自的先進封裝技術中有所布局。臺積電的芯片互連技術路線圖更是拓展到了2035年，要在2035年前實現1μm以內的SoIC互連。

03 3納米市場怎么樣？

業界都在關心2納米，不過眼前3納米的市場怎么樣呢？

有觀點認為三星和臺積電都在3納米上花了不少心思，但從過去的新聞和廠商的公告可以看到，似乎大家都對第一代的3納米工藝不感興趣。例如市場上一度傳言，蘋果會成為臺積電第一代3納米工藝的唯一客戶。不過，這家美國巨頭迄今都沒有公布其3納米產品。

本月美國芯片公司Marvell表示，公司基于臺積電3 納米工藝打造的數據中心芯片正式發布。這也是臺積電的首款已公布的3納米芯片，據Marvell介紹，公司在該節點中的業界首創硅構建模塊包括 112G XSR SerDes（串行器/解串行器）、Long Reach SerDes、PCIe Gen 6 / CXL 3.0 SerDes 和 240 Tbps 并行芯片到芯片互連。

臺積電的3納米終于迎來了大客戶，但是并不是想象中的蘋果。而對比之下，三星的首個客戶是一家挖礦的ASIC芯片公司。但之后尚沒有公開信息表明三星的3納米有哪些大客戶下單，如果找不到外部客戶下單，或許三星的客戶只能是自己。

另外一家巨頭英特爾還沒有公布3納米量產的官方消息，目前已知英特爾計劃在 2023 年底推出其 3納米 等效工藝節點。這些晶圓專為服務器級至強芯片設計。第 5 代 Xeon Emerald Rapids-SP 將采用 Intel 3 工藝制造。Emerald Rapids 將在 Sapphire Rapids 一年內作為軟更新推出。與三星相比，英特爾在服務器芯片的市場份額，讓英特爾的3納米不會“愁賣”。當然這也要看到時候英特爾的產能與良率能否按照預期規劃，滿足英特爾服務器客戶的需求。

04 寫在最后

自從缺芯潮開始以來，市場對于先進制程和成熟制程的重要性就一直進行著討論。“成熟制程的產品產能不足”和“先進制程的產品市場需求突然下滑”成為同時發生的現狀。盡管如此，科技在不斷地進步，隨著新應用的出現，對2納米、1納米的新制程的需求沒有停止。2納米會來的，而2納米帶來的新世界更值得期待。