臺積電殺手锏來了：2nm先進(jìn)制程首亮相。6月16日，臺積電在2022年度北美技術(shù)論壇上，官宣將推出下一代先進(jìn)制程N(yùn)2，也就是2nm制程。

2nm來了，終結(jié)FinFET

一直以來，包括7nm、5nm在內(nèi)的芯片制程都采用的是FinFET晶體管技術(shù)。

要知道，半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)步的背后有著一條金科玉律，那就是「摩爾定律」。摩爾定律表明：每隔 18~24 個月，封裝在微芯片上的晶體管數(shù)量便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。

當(dāng)FinFET結(jié)構(gòu)走到了無法突破物理極限的時候，對新的晶體管技術(shù)提出了需求。也就是說，GAA (gate-all-around，簡稱 GAA) 架構(gòu)的出現(xiàn)再次拯救了摩爾定律。據(jù)稱，臺積電N2將使用GAAFET（全環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)，于2025年開始量產(chǎn)。N2在性能、功效上有明顯提升，不過晶體管密度在2025年的時代背景中可能顯得提升效果不大。

作為全新的芯片制作工藝平臺，N2制程的核心創(chuàng)新在于兩點(diǎn)：納米片電晶體管（Nanosheet）與背面配電線路（backside power rail）。此兩點(diǎn)都是為了提高單位能耗中芯片性能而設(shè)計的。臺積電的「全環(huán)繞柵極式納米片電晶體管」（GAA nanosheet transistors），晶體管的通道在所有四個側(cè)面都被柵極包圍，從而減少了電能泄漏。這在當(dāng)下晶體管體積越發(fā)接近原子體積時，將會越來越突出。

而且臺積電「環(huán)繞柵極式納米片電晶體管」的通道可以加寬以增加驅(qū)動電流并提高性能，也可以縮小以最大限度地降低功耗和成本。為了給這些「納米片電晶體管」提供足夠的電能而且避免漏電損耗，臺積電的N2制程使用背面配電線路（backside power rail）。臺積電認(rèn)為這是在「后段布線制程工序」(BEOL) 中克服電阻的最佳解決方案的一種。工序上做出如此改進(jìn)后，在同等能耗和復(fù)雜度下，N2的性能比N3高10%-15%。在相同速度和單位面積晶體管平均數(shù)目下，N2的能耗比N3低25%-30%。

在微觀結(jié)構(gòu)上，N2采用納米片電晶體（Nanosheet），取代FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管），外界普遍認(rèn)為，納米片電晶體就是臺積電版的GAAFET。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，權(quán)威硬件新聞網(wǎng)站Tom's Hardware的報道者表示，總體來看，N2的全世代制程較之前有明顯的性能和耗電改觀。但就芯片的單位面積晶體管密度而言，N2相較于N3，并沒有N3相較于N5的進(jìn)步程度。所以N2制程的亮眼程度或許不如預(yù)期中驚艷。臺積電稱將在各種產(chǎn)品上應(yīng)用N2制程，例如移動設(shè)備SoC（集成系統(tǒng)芯片）、高性能CPU與顯卡等。而且臺積電還提到了「小芯片集成」，業(yè)界猜測很多使用N2制程的產(chǎn)品，也會使用多塊小芯片的打包版來降本增效。

據(jù)稱臺積電將會在2025年下半年開始大規(guī)模使用N2制程上量生產(chǎn)芯片。考慮到當(dāng)代半導(dǎo)體生產(chǎn)周期，商用的2納米芯片將會在2025年晚期或者2026年初在市面上出現(xiàn)。在此之前，臺積電將會使用有N3E、N3P和N3X等3納米制程的改進(jìn)版生產(chǎn)芯片。

ASML業(yè)界最強(qiáng)光刻機(jī)加持

除了公布2nm先進(jìn)制程，臺積電會議上還宣布，將在2024年，引進(jìn)ASML（阿斯麥）下一代最先進(jìn)的光刻機(jī)。

此光刻機(jī)為「高數(shù)值孔徑極紫外」（High-NA EUV）光刻機(jī)。此前，英特爾在2021年7月公布的公司最新路線圖會議上，提到自家也將擁有阿斯麥下一代業(yè)界最強(qiáng)光刻機(jī)。這臺光刻機(jī)型號為High-NA量產(chǎn)型EUV光刻機(jī)EXE:5200，將采用不同的鏡頭系統(tǒng)，NA更大。

據(jù)阿斯麥發(fā)言人稱，更高的光刻分辨率將允許芯片縮小1.7倍，同時密度增加2.9倍。未來比3nm更先進(jìn)的工藝，將極度依賴高NA EUV光刻機(jī)。作為制造芯片最先進(jìn)的設(shè)備，光刻機(jī)的先進(jìn)程度等直接決定了芯片的制程工藝。目前來看，荷蘭的ASML幾乎壟斷了世界上的高端光刻機(jī)，且產(chǎn)量非常少，價格貴。自2017年ASML第一臺量產(chǎn)的EUV光刻機(jī)正式推出以來，三星的7nm/5nm工藝，臺積電的第二代7nm工藝和5nm工藝的量產(chǎn)都是依賴于0.55數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)。

老牌半導(dǎo)體經(jīng)銷商智融科技的高管Dan Hutcheson稱，「High-NA EUV光刻機(jī)是芯片制造業(yè)的下一個重大創(chuàng)新突破，擁有者將會引領(lǐng)行業(yè)。」臺積電負(fù)責(zé)研發(fā)的高級副總裁米玉杰稱：「2024年的此引進(jìn)，將會用來開發(fā)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與類型工藝，以求推動能滿足顧客的創(chuàng)新」。不過他沒提到買來機(jī)器后何時正式在芯片制程中使用。而英特爾是已經(jīng)宣布了自己才是全世界第一家會收到阿斯麥供貨的芯片廠，2025年就會開始啟用此光刻機(jī)造芯片。

1nm，未來可期

1987年成立，35年的時間，臺積電從名不見經(jīng)傳成長為晶圓代工「一哥」，甚至一度成為全球市值最高半導(dǎo)體企業(yè)。

近年來，我們看到了臺積電不斷將工藝的先進(jìn)制程推向更高點(diǎn)，7nm，5nm，3nm，2nm，1nm...

臺積電在先進(jìn)制程方面可謂是一騎絕塵。2020年，5nm量產(chǎn)。3nm，臺積電一只獨(dú)秀。2nm預(yù)計在2025生產(chǎn)。

在2021年年底，臺積電正式提出2nm以及后續(xù)1nm的工廠擴(kuò)建計劃。預(yù)計總投資金額將高達(dá)8000億至1萬億新臺幣（約1840-2300億元），占地近100萬平方米。

另外，臺積電1nm研發(fā)也取得了一些進(jìn)展。在2021年，臺大與臺積電、美國麻省理工學(xué)院合作研究發(fā)現(xiàn)二維材料結(jié)合「半金屬鉍（Bi）」能達(dá)極低電阻，接近量子極限。這項(xiàng)研究成果由臺大電機(jī)系暨光電所教授吳志毅，與臺灣積體電路和MIT研究團(tuán)隊(duì)共同完成，已在國際期刊Nature上發(fā)表，有助實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體1nm以下制程挑戰(zhàn)。可以說，臺積電1nm也是未來可期。那么，當(dāng)前各家在先進(jìn)制程之爭上怎么樣了？

「三巨頭」先進(jìn)制程之爭

臺積電，與英特爾、三星并稱半導(dǎo)體制造業(yè)「三巨頭」。在芯片制程逐漸縮小的路上，三大巨頭你追我趕。2015年，14nm時代開始，成為芯片制程發(fā)展的一個分水嶺，而聯(lián)電卻在此止步。到了2017年步入10nm時代，英特爾卻死死地卡在10nm上，導(dǎo)致i5和i7處理器由于良率問題而遲遲無法交貨。緊接著7nm的到來，英特爾還是無法實(shí)現(xiàn)突破，同時美國另一家芯片代工巨頭格芯也是在7納米制程中倒下。2020年，制程開始進(jìn)入5nm時代，只有三星和臺積電可以一拼。

當(dāng)英特爾終于宣布恢復(fù)兩年的研發(fā)周期之時，三星和臺積電早已把5nm量產(chǎn)提上了日程。要知道，目前公開稱有5nm芯片制造能力的只有臺積電和三星兩家。而真正第一款出貨的5nm芯片，是蘋果2020年秋季發(fā)布會上首次公布的A14仿生芯片，這款SoC的晶體管數(shù)量達(dá)到118億個。而第二款用上5nm芯片的則是集成153億個晶體管的華為麒麟9000。這兩款芯片都是臺積電代工生產(chǎn)的，并且采用的是FinFET架構(gòu)。

臺積電5nm雖然已經(jīng)量產(chǎn)，但產(chǎn)能還是很有限，還在持續(xù)提升中。當(dāng)臺積電在2nm研發(fā)上切入GAAFET（環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)時，其競爭對手三星則早在2年前其揭露3nm技術(shù)工藝時，就宣布從FinFET轉(zhuǎn)向GAA，并「大放厥詞」：2030年要超過臺積電，取得全球芯片代工龍頭地位。這也算是為兩家企業(yè)2-3nm制程的市場之戰(zhàn)吹響了號角。為了搶在臺積電之前完成3nm的研發(fā)，三星的芯片制造工藝由5nm直接上升到3nm，4nm則直接跳過。在臺積電和三星都在抓緊研發(fā)2nm的同時，藍(lán)色巨人首次放出一顆核彈。也許許多人忘了，IBM也曾是一家大牌的芯片制造商。就在2021年5月，這家公司首次對外公布全球第一個2nm芯片，僅有指甲蓋大小。

那么英特爾呢？2021年下半年，英特爾不甘落后，也宣布了自己的全新路線圖，并為芯片制程重新命名：Intel 7，Intel 4，Intel 3，Intel 20A。這家公司還公布，將于2024年上半年推出的Intel 20A會成為制程技術(shù)的又一個分水嶺。它擁有兩大開創(chuàng)性技術(shù)——RibbonFET的全新晶體管架構(gòu)，名為PowerVia的史無前例的創(chuàng)新技術(shù)，可優(yōu)化電能傳輸。

不管怎么說，英特爾成了小弟，臺積電成為真正的代工大哥。臺積電，三星、英特爾對最先進(jìn)制程的追趕，正是想要在世界先進(jìn)制程領(lǐng)域一決高下。