2nm情結(jié)

一輛載著印有“ASML”LOGO保護(hù)箱的卡車(chē)駛?cè)朊绹?guó)俄勒岡州（Oregon）的英特爾希爾斯伯勒（Hillsboro）園區(qū)。箱身上綁著紅繩，并系了蝴蝶結(jié)，里面是荷蘭ASML研制出的全球首臺(tái)高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)（High NA EUV）的一部分。

這是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)2nm工藝的光刻機(jī)，它的交付，意味著全球范圍內(nèi)的芯片“制程大戰(zhàn)”將會(huì)進(jìn)入2nm階段。在當(dāng)前臺(tái)積電領(lǐng)先、英特爾和三星加緊追趕的晶圓制造格局中，不論是想保持領(lǐng)先，還是想彎道超車(chē)，都將2nm視為競(jìng)爭(zhēng)的“致命武器”。2nm果真能堪此重任么？隨著2nm之戰(zhàn)越來(lái)越近，有必要厘清業(yè)界的2nm情結(jié)。

得ASML者得2nm？

“如果單討論2nm工藝的實(shí)現(xiàn)，毫無(wú)疑問(wèn)，ASML的0.55數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)是一切的先決條件?！睒I(yè)內(nèi)專(zhuān)家莫大康告訴《中國(guó)電子報(bào)》記者。

從縱向的晶圓生產(chǎn)流程來(lái)看，設(shè)備與硅片是晶圓生產(chǎn)活動(dòng)的起點(diǎn)，優(yōu)先級(jí)高于光刻膠以及其他應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中的氣體材料。設(shè)備升級(jí)是實(shí)現(xiàn)2nm工藝節(jié)點(diǎn)飛躍的必要條件，而材料升級(jí)是錦上添花的部分。

從橫向的平替設(shè)備來(lái)看，極紫外光刻是成熟度最高的方式。在極紫外光刻之外，佳能全力押注納米壓印技術(shù)。不同于將光照直接打在掩模版上，并通過(guò)透鏡最終折射在晶圓上的極紫外光刻，納米壓印是將電路圖形通過(guò)“蓋章”的方式壓在晶圓上的一種技術(shù)路徑。佳能CEO御手洗富士夫曾表示，納米壓印單次光刻工序的成本為傳統(tǒng)光刻成本的二分之一。雖然納米壓印具有成本優(yōu)勢(shì)，但是由于其工藝存在一定特殊性，且對(duì)于制造環(huán)境的要求很高，加之當(dāng)前還未出現(xiàn)量產(chǎn)的成功案例，想要通過(guò)納米壓印實(shí)現(xiàn)2nm還需時(shí)間檢驗(yàn)。

2nm與EUV設(shè)備高度綁定，這幾乎是不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，幾家晶圓代工企業(yè)必須和世界唯一的光刻機(jī)設(shè)備廠商ASML“搞好關(guān)系”。

1987年，臺(tái)積電剛剛成立，ASML還是飛利浦旗下的一家小公司。飛利浦以芯片技術(shù)換取了臺(tái)積電27.5%的股份。1988年，臺(tái)積電因?yàn)閺S房遭遇大火，向ASML一口氣訂購(gòu)了17臺(tái)光刻機(jī)，兩家企業(yè)從此建立聯(lián)系。在之后數(shù)十年的歲月中，ASML的新設(shè)備都會(huì)交付給臺(tái)積電，而臺(tái)積電也會(huì)將在晶圓廠積累的數(shù)據(jù)反饋給ASML。

2012年，三星以363億韓元購(gòu)買(mǎi)了ASML3%的股份。2023年12月，三星電子董事長(zhǎng)李在镕隨韓國(guó)總統(tǒng)尹錫悅訪(fǎng)問(wèn)ASML總部，并宣布將與ASML共同投資1萬(wàn)億韓元在韓國(guó)建立研究中心。

日本建立不久的Rapidus也頻繁向ASML示好，并派遣員工進(jìn)入ASML學(xué)習(xí)，足以見(jiàn)其對(duì)光刻設(shè)備的重視。

英特爾早在2022年1月就宣布向ASML發(fā)出了第一份采購(gòu)訂單，約定購(gòu)買(mǎi)后者0.55數(shù)值孔徑的EUV光刻機(jī)。2024年，隨著ASML的訂單陸續(xù)交付給芯片制造廠和IDM，2nm將會(huì)進(jìn)入“競(jìng)速賽”的階段。

高良率量產(chǎn)是道坎？

先做出2nm意味著立于不敗之地嗎？答案當(dāng)然是否定的。產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的并非2nm的生產(chǎn)，而是量產(chǎn)。早在2021年5月，IBM就已經(jīng)通過(guò)多重曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2nm工藝，這也是日本Rapidus派員去IBM學(xué)習(xí)其先進(jìn)技術(shù)的主要原因。但是IBM的成果科研屬性強(qiáng)于商業(yè)屬性，換言之，它既沒(méi)有能夠生產(chǎn)2nm制程的光刻機(jī)，同時(shí)也不具備其他芯片制造廠量產(chǎn)2nm的資金和生產(chǎn)線(xiàn)，也就無(wú)法應(yīng)對(duì)未來(lái)持續(xù)增長(zhǎng)的先進(jìn)制程的需求。

量產(chǎn)之外，還有良率的問(wèn)題需要晶圓廠考慮。

以目前臺(tái)積電和三星的3nm為例，其良率基本在60%-70%浮動(dòng)，而如果到2nm階段，良率只可能更低。

“影響良率主要有三個(gè)因素，一是刻蝕精度，這個(gè)通過(guò)設(shè)備可以有效解決；二是硅片的缺陷密度，它與加工過(guò)程及材料等有關(guān)?！蹦罂当硎?，“重要的是隨著制程的升級(jí)，過(guò)小的尺寸容易伴生量子隧穿效應(yīng)，甚至是漏電現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致許多隨機(jī)誤差的出現(xiàn)，而晶圓廠憑借現(xiàn)有技術(shù)，也很難在短時(shí)間內(nèi)定位和消磨這些隨機(jī)性極強(qiáng)的誤差?！?/p>

目前，三星電子采用了GAA架構(gòu)來(lái)防止背面漏電，以求提升3nm的良率。英特爾在20A制程上采用了RibbonFET架構(gòu)，功能與GAA相似，這也是被視作在為未來(lái)的18A制程進(jìn)行技術(shù)積累。而臺(tái)積電3nm仍然使用FinFET架構(gòu)，轉(zhuǎn)為GAA架構(gòu)可能要等到2nm之后。

三星電子晶體管結(jié)構(gòu)路線(xiàn)圖（圖片來(lái)源：三星電子）

不論是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，還是通過(guò)新架構(gòu)提升良率，背后都牽扯到2nm的制造成本問(wèn)題。

對(duì)于晶圓廠而言，量產(chǎn)2nm所需的設(shè)備成本和研發(fā)成本將一路走高，性?xún)r(jià)比則會(huì)降低。機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2nm晶圓片的價(jià)格約3萬(wàn)美元，比3nm要貴50%。同時(shí)，由于良率較3nm更低，這將使晶圓廠承擔(dān)更多的次品壓力。

據(jù)悉，蘋(píng)果在3nm訂單中只向臺(tái)積電支付了質(zhì)量達(dá)標(biāo)的那部分晶圓費(fèi)用，進(jìn)入2nm階段后，臺(tái)積電將不可避免承擔(dān)更大比例的次品成本。

雖然2nm無(wú)法為晶圓廠帶來(lái)立竿見(jiàn)影的經(jīng)濟(jì)收益，但從長(zhǎng)期來(lái)看，率先實(shí)現(xiàn)2nm能夠帶來(lái)良好的品牌效益。

什么左右客戶(hù)的選擇？

芯片做得好不好最終還是以客戶(hù)的訂單量為準(zhǔn)。而除了芯片本身的產(chǎn)量、良率、價(jià)格因素之外，客戶(hù)還有兩方面的顧慮。

一方面，越發(fā)先進(jìn)的制程工藝帶來(lái)的不確定性增加了終端廠商的試錯(cuò)成本。

蘋(píng)果是一家樂(lè)于“吃螃蟹”的企業(yè)。2023年，蘋(píng)果A17芯片率先采用了臺(tái)積電3nm工藝，而在同時(shí)期發(fā)布的高通驍龍8Gen3和聯(lián)發(fā)科天璣9300則采用臺(tái)積電4nm工藝。在智能手機(jī)市場(chǎng)，制程工藝逐漸成為終端廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的指標(biāo)之一，蘋(píng)果也將“率先使用最先進(jìn)工藝”視作自身產(chǎn)品的一大賣(mài)點(diǎn)。

然而，在3nm中拔得頭籌的蘋(píng)果在消費(fèi)者實(shí)際使用中卻出現(xiàn)了發(fā)熱現(xiàn)象，除了iPhone15所使用的鈦金屬手機(jī)外殼之外，也可能與臺(tái)積電3nm未使用GAA架構(gòu)有關(guān)。

另一方面，長(zhǎng)久的深度合作拉高了終端廠商的技術(shù)遷移難度。

“這是工藝黏性的問(wèn)題。芯片設(shè)計(jì)企業(yè)選擇某家代工廠，代表著雙方之間的技術(shù)融合已經(jīng)成功，而如果此時(shí)調(diào)換到其他代工廠，就意味著IP、EDA等技術(shù)都需要重新磨合，這要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)由于制程越來(lái)越先進(jìn)，遷移帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也越大?！蹦罂当硎尽?/p>

目前，蘋(píng)果、英偉達(dá)、高通、AMD等設(shè)計(jì)企業(yè)都與臺(tái)積電建立了深度綁定的合作生態(tài)。根據(jù)臺(tái)積電2023年第三季度財(cái)報(bào)，智能手機(jī)和HPC領(lǐng)域的訂單占據(jù)了81%的營(yíng)收占比。其中，智能手機(jī)領(lǐng)域環(huán)比增長(zhǎng)率更是高達(dá)33%。

臺(tái)積電2023年第三季度各平臺(tái)營(yíng)收情況（圖片來(lái)源：臺(tái)積電）

蘋(píng)果與臺(tái)積電的合作已有十余年，長(zhǎng)期深度的合作關(guān)系無(wú)形中提升了客戶(hù)的遷移成本。不過(guò)，各芯片設(shè)計(jì)企業(yè)也在嘗試將產(chǎn)能需求分散給多家代工廠，以此削弱長(zhǎng)期合作帶來(lái)的工藝黏性。

英偉達(dá)不止一次在公開(kāi)場(chǎng)合透露了自己與英特爾合作的意愿。在2023年12月，英偉達(dá)首席財(cái)務(wù)官Colette Kress在接受采訪(fǎng)時(shí)表示：“臺(tái)積電一直是出色的公司，我們也請(qǐng)了三星代工相關(guān)芯片，當(dāng)然，我們樂(lè)意見(jiàn)到第三家?！倍咄壳半m由臺(tái)積電獨(dú)家代工，也在觀望三星電子在GAA架構(gòu)不斷磨合之下的良率提升效果。

在2nm的競(jìng)爭(zhēng)中，英特爾已經(jīng)獲得了擁有首臺(tái)高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)先機(jī)；臺(tái)積電既有3nm量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，又有長(zhǎng)期以來(lái)與客戶(hù)維持的緊密聯(lián)系；三星電子手握GAA架構(gòu)，不僅頻繁釋放良率提升的信號(hào)，還傳出今年第一季度其代工業(yè)務(wù)將降價(jià)10%-15%。未來(lái)的2nm之爭(zhēng)，以光刻機(jī)為起點(diǎn)，最后還是要落在客戶(hù)對(duì)高良率產(chǎn)品的信任之上。