搶設備、搶技術，半導體巨頭打響先進制程大戰，從2到1不簡單

相比成熟制程，近年隨著AI、數據中心等應用驅動，先進制程成為了業界“香餑餑”。細觀晶圓代工產業鏈動態，從研發、爭搶先進設備、再到搶單，臺積電、三星、英特爾等大廠動作不斷，同時新軍Rapidus正強勢入局，可見先進制程之戰已悄然打響，并愈演愈烈。


從搶單開始，2nm戰況如何？

隨著GPU、CPU等高性能芯片不斷對芯片制程提出了更高的要求，突破先進制程技術壁壘已是業界的共同目標。目前放眼全球，掌握先進制程技術的企業主要為臺積電、三星、英特爾等大廠。

據TrendForce集邦咨詢12月6日研究顯示，2023年第三季全球前十大晶圓代工市場中，臺積電以57.9%的市占率占據全球第一的位置，而三星以12.4的市占率位居全球第二，英特爾（IFS）位居全球第九位，市占率為1%。

多年來，臺積電一直是晶圓代工產業的半壁江山，同時還手握著英偉達、蘋果、高通等下游廠商多數訂單，并成為人工智能芯片供應商的主要純晶圓代工合作伙伴。其中，按英偉達此前披露的營收計算，臺積電是全球最大的芯片代工制造商，也是英偉達高性能AI芯片的獨家生產商。

不過，業界推測，接下來英特爾或將打破當下臺積電獨家代工英偉達高性能AI芯片的狀況。英偉達首席財務官柯蕾絲（Colette Kress）近日在參加瑞銀全球科技大會時暗示，英偉達不排除增加英特爾代工（IFS）作為其晶圓代工供應商，生產新一代芯片。

而近期臺積電和三星也是動作頻頻。臺積電先是向蘋果和英偉達展示產品測試結果，后又拿下了蘋果訂單。據英國金融時報引述知情人士透露，臺積電已向蘋果和英偉達等大客戶展示N2（即2nm）原型的制程工藝測試結果。

另據中國臺灣工商時報報道，在全球芯片大廠爭相發展2納米制程之際，臺積電再度勝出搶下蘋果訂單，預計2025年上市的iPhone 17 Pro將率先采用臺積電2納米芯片。

此外，近日臺媒引述消息人士稱，英偉達已向臺積電下單銷往中國大陸的人工智能處理器，這些訂單是SHR (Super Hot Run，超級急件)，計劃于2024年第一季度開始履行。

三星方面，消息稱三星已拿到了高通的訂單，高通已計劃下一代高端手機芯片采用三星SF2（2nm）制程生產。同時，三星將推出2nm原型，并開出折扣價，以吸引英偉達等客戶。

針對三星在2nm制程采降價搶單的傳聞，臺積電董事長劉德音向業界表示“客戶還是看技術的質量”，透露出對臺積電先進制程技術與良率優勢的信心。

據業內人士透露臺積電即將敲定其未來3nm和2nm客戶，客戶不太可能轉移訂單。除了蘋果之外，AMD、英偉達、博通、聯發科和高通也是臺積電3nm和2nm芯片的客戶。這些主要客戶不太可能在2027年之前減少臺積電3nm和2nm晶圓的開工量。


2nm戰火，先從30億的光刻機燒起

全球2nm以下制程的硝煙，如今從最核心的元器件光刻機開始燒起——光刻機，可以說是芯片制程向上攀登的阿喀琉斯之踵。

光刻機本質上是一個投影系統，作用是將所要打印的芯片藍圖收縮、聚焦到硅片上。說起來容易，做起來卻很難，ASML的光刻機此前一直在先進制程的演進中扮演著相當重要的作用。

正如2017年7nm芯片量產之時，行業內摩爾定律終結的聲音不絕于耳，但 ASML掏出的EUV光刻機使得芯片突破了物理極限的限制，硬生生又給摩爾定律又續了十年命。到了如今2nm的節點，ASML依舊發揮著救火作用。

今年年初，ASML給行業釋放了一則好消息，他們收到了供應商提供的第一個高數值孔徑機械投影光學器件、照明器、晶圓載物臺等一系列設備——翻譯過來就是，這些模塊能幫助ASML交付適用于2nm芯片的高數值孔徑（High-NA） EUV光刻機。

未來若落地，這種光刻機不管是體積還是成本，都相當恐怖——ASML方面曾稱，它大概有一臺卡車那么龐大，每臺的成本超過了3億歐元（折合24億元）。

這并沒有阻礙芯片巨頭們的搶購熱情。此前據Digitimes消息，ASML在2024年只計劃生產10臺2nm設備，但當中的6臺已經被手快的英特爾提前鎖定。

問題是，各家的2nm制程量產時間基本鎖定在2025年，如果消息成真，意味著ASML能勻給臺積電和三星的光刻機數量已經不多。

焦慮的三星，直接請出了韓國總統出手。12月初，三星社長李在镕緊急去了一趟荷蘭拜訪ASML，還拉上了韓國總統尹錫悅同行。兩家公司簽署了一份歷史性的協議，將共同出資7億美元（折合人民幣56億元），在韓國投建工廠。

共同建廠實現利益綁定只是幌子，三星醉翁之意是，希望從ASML那獲得更多的高數值孔徑EUV光刻機。

芯片行業苦光刻機久矣，先進制程攀登的過程，行業中也出現了下一代光刻機技術的先鋒探索。在今年10月份，佳能就號稱通過納米壓印（NIL），將有可能承擔2nm芯片制程的生產。

納米壓印完全是和光刻完全不同的技術路線——如前文所說，光刻更像“投影”，那么納米壓可以用“蓋印”來比喻。

根據佳能方面的說法，他們先將掩摸壓到晶圓上，掩模的作用有點像”印泥“，用來復制轉移電路。隨后，再向上噴墨，把掩模印在新的晶圓上進行曝光。

如果能夠實現，對于行業這將會是一個巨大的沖擊。納米壓印的技術優勢更大，不僅設備更小、功耗更低，光源也更便宜，造價更低。

佳能的美好暢想足夠抓人，但最后能否落地還需要時間考驗。2nm制程的競爭，不僅僅是芯片廠商的斗爭那么簡單，上游同樣焦灼。


2nm決戰各類技術革新

要制造出2nm芯片，芯片廠商還在持續挑戰更先進的芯片技術。GAA（Gate All Around，全環柵型晶體管技術）是當前一項核心科技。

芯片里面的晶體管，可以拆解為三個模塊：源極、柵極、漏極——電離子從源極出發、穿越柵極、進入漏極，構成一個完整回路。柵極，可以簡單想象成晶體管與晶體管之間的一個門、一塊隔板，起到了把控電離子流向的作用。

在7nm的時代，行業中一般采用FinFET工藝。在這個工藝下，源極和漏極被做成了一整片“魚鰭”的樣子，直直穿過柵極。這樣，柵極才能牢牢把控電流流向。

只是，這種工藝在5nm以下先進制程中面臨失效——當芯片制程越來越低，一個芯片里面擠入的晶體管越來越多，留給芯片內柵極的空間注定壓縮，變小變薄，這樣就會導致“門”關得不緊，電子出現逸散。

GAA正是比FinFET更進了一步。由于柵極變小失去了“包裹性”，芯片廠商們索性把漏極和源極又換了個形態，變成了一根根納米片小棍子，垂直穿過柵極——這樣，小柵極也能全面包裹柵極、漏極，保證電子不再逸散。

此外，三星還曾經提出了豎向構建的“VTFET”方式，和此前平著放的芯片不一樣，這種設計思路下的晶體管是垂直構造的，但這些都還在試驗階段。

當然，2nm的技術挑戰不僅于此，除了GAA技術之外，另一項技術也相當關鍵。隨著半導體工藝微縮路線不斷地向前發展，集成電路內電路與電路間的距離也不斷縮窄，也會對彼此產生干擾。而為了納米片電晶體管提供足夠的電能，避免漏電損耗，臺積電、三星、英特爾的2nm制程，紛紛用上了背面配電線路技術。

隨著芯片向2nm以下攀登，各類技術創新閃爍。只是，目前看來2nm的投入產出比并不高——當芯片向2nm以下的制程攀登，投入呈指數級態勢狂奔，僅僅購入一臺光刻機就要幾十億的投入，芯片設計的成本更是高達50億元以上。

但從更長遠的角度，2nm制程的突破，意義深遠。

2nm未見果，1.8/1.4nm現身影

今年，先進制程動態不斷，尤其是3nm、2nm等最先進制程。從共同點來講，大廠們的目標無非是為了突破芯片技術壁壘，占領新技術高地，從而拿下更多市場份額。

此前晶圓代工廠商2nm以下制程的研發時間線曝光于公眾視野時，就曾引起轟動，業界激烈討論的重點仍是，該技術的進步是否能帶來更好的性能和良率等問題，而也正因此2nm以下制程技術的熱度一直居高不下。

筆者針對臺積電、英特爾、三星、Rapidus芯片制程研發進行了最新跟蹤：臺積電1.4nm開發順利；英特爾1.8nm 18A工藝研發完成；三星計劃于2027年進入1.4nm半導體制程技術領域；Rapidus正在構建1nm芯片產品的供應體制。

臺積電在IEEE國際電子器件會議（IEDM）的“邏輯的未來”小組上透露，臺積電1.4nm級制造技術的開發進展順利進行。據SemiAnalysis的Dylan Patel發布的幻燈片指示，臺積電的1.4nm生產節點正式命名為A14。不過關于A14量產時程及其規格，臺積電暫未披露更多信息，但鑒于N2計劃于2025年末、N2P計劃于2026年末，業界猜測A14會在此之后2027-2028年間推出。

關于臺積電是否會采用垂直堆疊互補場效應晶體管（CEFT）結構，或是沿用2nm制程將采用的環繞柵極場效應晶體管（GAAFET），以及臺積電是否會在2027年至2028年期間為其A14工藝技術采用高數值孔徑EUV（High NA EUV）光刻機，目前仍尚不清楚。

英特爾方面，英特爾CEO帕特·基辛格在Intel Innovation Day論壇表示，Intel 18A制程目前有許多測試晶圓正在生產中，這一技術已經研發完成，正加速進入生產階段。

據介紹，Intel 18A節點（1.8nm）由于尺寸進一步縮小，需采用RibbonFET晶體管，使用GAA全環繞柵極架構，類似多片納米片堆疊在一起，這樣不僅能夠縮小尺寸，而且柵極能夠更好地控制電流的流通，同時在任意電壓下提供更強的驅動電流，讓晶體管開關的速度更快，從而提升晶體管的性能。

基辛格表示，英特爾定下的“4年推進5代制程”目標正在穩步實現，希望在2025年重新奪回半導體生產領導者地位，超越臺積電、三星。

英特爾稱Intel 18A制程不會僅供內部使用，未來也將為愛立信等外部客戶代工晶圓。此前基辛格于10月末透露，Intel 18A制程已于Q3敲定了三家晶圓代工客戶，預計年底有望簽下第四家。此外，用于下一代服務器、PC處理器的Intel 3制程技術，目前正在“除錯”階段，預計2024年即可投產。

從英特爾制程研發路線看，Intel 7制程技術已大量生產，Intel 4制程也已經量產，Intel 3制程準備開始量產，Intel 20A制程將如期于2024年量產，Intel 18A制程將是5代制程目標的終極制程，已確定相關設計規則，將于明年下半年量產。

三星方面，一直以來，三星在努力確保能采購更多EUV光刻機，目標是希望能在2024年上半年進入第二代3納米制程技術，在2025年年底前推出2nm制程，2027年年底之前推出1.4nm制程。

三星是首家跨入并轉型環繞式柵極（GAA）晶體管架構的公司，三星希望從SF3進展至SF2會相對流暢。三星旗下晶圓代工部門Samsung Foundry首席技術官Jeong Ki-tae表示，GAA結構晶體管是一項可持續的技術，此前的FinFET鰭式晶體管很難進一步改進。他還透露，三星正在與大客戶就即將推出的2nm、1.4nm制程工藝進行談判。

Rapidus方面，據報道，Rapidus、東京大學與法國半導體研究機構Leti合作，將研發1nm級別芯片設計基礎技術，將在2024年開展人才交流、技術共享。Rapidus將利用Leti的技術，構建1nm芯片產品的供應體制。

報道指出，他們的共同目標是確立設計開發線寬為1.4nm——1nm半導體所需的基礎技術。這一節點需要與傳統不同的晶體管結構，Leti在該領域的成膜等關鍵技術上占優。

結語

在2nm及以下先進制程的競爭中，雖然研發最終成果還未具體披露，但從搶單、購買先進設備等動作也可見，各大廠已經在為日后未雨綢繆。叢上述披露的時間線來看，針對2nm制程的研發答案將于2025年揭曉，但更先進制程的戰斗仍在繼續，未來技術如何演變？我們拭目以待。