深度丨2納米變成新戰(zhàn)場

作者 | 方文三

今年一月，荷蘭ASML公司成功研制出首臺High-NA EUV光刻機，并在公眾面前進行了首次開箱展示。

其創(chuàng)新技術能夠將世界上最尖端的芯片制程由3納米進一步縮減至2納米，為全球半導體行業(yè)帶來了劃時代的突破。

此次成果的亮相，標志著半導體廠商正式開啟了2納米芯片量產的新紀元。

2納米芯片技術儲備不斷完善

目前，整個半導體產業(yè)鏈的技術儲備正在逐步優(yōu)化，從設備制造商到材料供應商，再到芯片設計公司，各環(huán)節(jié)均在積極應對技術變革，以確保在2納米芯片時代保持競爭力。

此前，業(yè)界普遍認為硅基芯片將在2納米時代走向終結，而更先進的芯片將采用光子或碳基技術。

然而，高數(shù)值孔徑技術的出現(xiàn)，有望延長EUV（極紫外光刻）光源技術的使用壽命，并減輕對刻蝕光波長的迫切需求。

全球最大光刻機廠商ASML已向美國英特爾公司交付了最新一代的[0.55數(shù)值孔徑]EUV光刻工具，這將為2納米制程工藝芯片的生產提供有力支持。

據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，佳能公司正致力于研發(fā)一種創(chuàng)新的納米壓印技術，該技術具有巨大的潛力，能夠生產出2納米級別的半導體。

因此，該技術有望在現(xiàn)有光源技術的基礎上，實現(xiàn)2納米制程及以上芯片的生產。

此外，被視為2納米芯片工藝的核心技術——背面供電(BSPDN)技術也取得了顯著進展。

三星電子正在開發(fā)的BSPDN技術已取得新突破，并計劃提前應用于2025年的2納米芯片工藝中。

英特爾同樣在背面供電技術的研發(fā)上投入巨大，以期恢復其在制程技術領域的領先地位。

該公司計劃將PowerVia與20A節(jié)點(2納米)的RibbonFET(全方位柵極)晶體管相結合，通過采用BPD，預計將實現(xiàn)6%的性能提升(Fmax)、90%的單元利用率以及30%以上的電壓降降低。

臺積電已在N2研發(fā)出背面配電線路(backside power rail)解決方案，這一設計特別適用于高性能計算(HPC)應用。

與基線技術相比，背面線路預計將提升速度10%至12%，同時邏輯密度也將提升10%至15%。

在晶體管架構方面，據(jù)供應鏈消息，臺積電計劃采用GAA(全柵極環(huán)繞)技術來生產2納米制程節(jié)點。

位于新竹科學園區(qū)的寶山P1晶圓廠最早將于4月份開始安裝設備，而P2工廠和高雄工廠則計劃于2025年開始生產采用GAA技術的2納米制程芯片。

臺積電：長期領先帶來的穩(wěn)定發(fā)展

臺積電長期以來一直是全球晶圓代工的領頭羊，其在先進制程技術上的投入和研發(fā)實力使其在行業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢。

臺積電已經(jīng)宣布將在2025年推出2納米制程技術，命名為N2，這一技術將采用GAAFET全環(huán)繞柵極晶體管技術，預計性能和功效將有顯著提升。

臺積電的優(yōu)勢在于其穩(wěn)健的技術發(fā)展策略和對制程技術的深厚積累。

它傾向于在確保新技術成熟和可靠后再進行部署，這種方法有助于降低技術失敗的風險，提高芯片產量和質量，確?？蛻魸M意度。

臺積電的客戶群體廣泛，包括蘋果、英偉達、AMD等，這些合作關系為其提供了穩(wěn)定的訂單和收入來源，有助于其在2納米技術上的研發(fā)和量產。

作為全球晶圓代工廠領域的佼佼者，臺積電在技術研發(fā)與產能布局方面均展現(xiàn)出卓越實力。

目前，位于新竹寶山的Fab20 P1廠即將于4月啟動設備安裝工程，為即將到來的2納米芯片量產做好充分準備。

臺積電已明確表示，包括寶山P1、P2及高雄在內的三座先進制程晶圓廠均計劃于2025年實現(xiàn)量產目標。

此舉引發(fā)了全球科技巨頭的廣泛關注，蘋果、英偉達、AMD及高通等公司均積極尋求與臺積電的合作，以確保獲得足夠的產能支持。

根據(jù)先前wccftech媒體的報道，蘋果公司的iPhone、Mac、iPad以及其他相關設備將成為臺積電首批采用2納米工藝技術的用戶。

蘋果計劃利用臺積電的2納米工藝技術來提升其芯片的性能，并降低功耗。這一技術革新有望在未來延長蘋果產品的電池壽命，例如iPhone和MacBook。

在2納米芯片的產能布局方面，臺積電目前正積極建設兩座2納米芯片工廠。

三星：新結構方面會更有經(jīng)驗

三星電子是全球領先的半導體制造商之一，其晶圓代工部門在2納米技術的研發(fā)上也表現(xiàn)出了強烈的競爭力。

三星已經(jīng)收獲了不少2納米 AI加速器訂單，包括來自日本AI巨頭Preferred Networks Inc.（PFN）的訂單，這顯示了三星在2納米技術商業(yè)化方面的決心和進展。

三星的2納米級SF2工藝計劃于2025年推出，預計將在功耗效率和性能上有顯著提升。

三星的優(yōu)勢在于其垂直整合的業(yè)務模式，即同時擁有芯片設計和制造能力，這使得三星能夠在內部協(xié)調設計和生產，快速響應市場變化。

此外，三星在3納米制程上已經(jīng)采用了GAA架構，這為其在2納米技術上的進一步發(fā)展奠定了基礎。

所以相對于臺積電，三星似乎在新結構方面會更有經(jīng)驗，這也成為三星在2納米制程中的節(jié)點的優(yōu)勢之一。

三星還通過提供全面的芯片制造服務，包括從芯片設計到生產和先進芯片封裝的一站式服務，來吸引客戶。

據(jù)韓國媒體ZDNet報道，三星已向客戶和合作伙伴發(fā)出通知，自今年年初起，將其第二代3納米制程技術正式更名為2納米制程技術。

同時，三星宣布與一家未公開身份的公司達成了一項新的合作協(xié)議。

根據(jù)該協(xié)議，雙方將在三星即將推出的2納米節(jié)點上共同研發(fā)人工智能芯片，并已取得了初步的成功。

雖然目前該協(xié)議的具體細節(jié)尚未公開，但業(yè)界普遍認為，這一合作將使得三星的代工業(yè)務在未來的工藝技術上與臺積電和英特爾等競爭對手展開激烈的角逐。

三星對其2納米節(jié)點技術寄予了厚望。據(jù)相關報道，與第二代3納米GAA設計相比，該節(jié)點在相同時鐘頻率下能夠實現(xiàn)25%的效率提升。

此外，預計在保持相同功率水平的情況下，該節(jié)點的效率將提升12%，芯片的總尺寸將減少5%。

考慮到三星之前已經(jīng)明確表示，其首批2納米晶圓將主要針對智能手機市場，因此，這次新協(xié)議的簽署很可能是三星最先進工藝技術在PC領域的首個重要合同。

有業(yè)內人士推測，這筆交易的目標客戶可能是谷歌、微軟或阿里巴巴等擁有超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的公司。

然而，盡管三星已經(jīng)成功研發(fā)出[第二代3納米]工藝，并將其更名為[2納米]，并計劃在今年年底前正式投入量產，但業(yè)界對此并不完全認同。

許多大廠更期待真正的2納米技術的到來，并期待看到三星在工藝技術研發(fā)上的進一步突破。

三星計劃在2025年首先在移動終端上實現(xiàn)2納米制程芯片的量產，隨后在2026年將其應用于高性能計算（HPC）產品，并在2027年進一步擴大到車用芯片領域。

英特爾：接著阻擊接著搶市場

英特爾作為半導體行業(yè)的老牌巨頭，雖然在10納米制程上遭遇了挑戰(zhàn)，但其在2納米技術的研發(fā)上也展現(xiàn)出了強烈的反擊意圖。

英特爾宣布將在2024年底前生產下一代芯片，并已經(jīng)開始推廣其下一代Intel18A（相當于1.8納米）工藝節(jié)點，這表明英特爾希望在2納米技術的競爭中重回領先地位。

18A和N2均采納GAA晶體管（RibbonFET）技術，但1.8納米級節(jié)點預計將運用BSPND，即背面功率傳輸網(wǎng)絡技術，該技術有助于優(yōu)化功率和時鐘表現(xiàn)。

20A制造技術預計于2024年投入應用，將引入RibbonFET環(huán)繞柵極晶體管及背面供電網(wǎng)絡（BSPDN）兩大創(chuàng)新技術，旨在達成性能提升、功耗降低及晶體管密度增加等目標。

同時，英特爾的18A生產節(jié)點旨在進一步鞏固并拓展20A技術的創(chuàng)新成果，預計將在2024年底至2025年初提供更為顯著的PPA性能改進。

按照英特爾的制程規(guī)劃，其2納米技術有望率先實現(xiàn)商業(yè)化應用。

英特爾的優(yōu)勢在于其在High-NA EUV光刻機方面的領先地位，該公司已經(jīng)預定了多達6臺新一代高NA EUV光刻機，這將為其提供更高的產能和更精細的曝光尺寸。

英特爾還在推進背面供電技術和RibbonFET的使用，這些技術預計將在2024年第一季度問世的芯片中得到應用。

在最近的Direct Connect活動中，英特爾宣布了其[4年5個工藝節(jié)點推進計劃]，其中明確包括了2納米芯片的發(fā)展節(jié)點。

該公司進一步強調了其目標，即在2030年之前成為全球第二大晶圓代工廠。

目前，英特爾已經(jīng)公布了其2024年量產20A[2納米]芯片的計劃。

這款芯片將采用創(chuàng)新的RibbonFET晶體管技術，以取代傳統(tǒng)的FinFET架構，并引入包括PowerVia在內的全新互連技術。

為了改善其代工業(yè)務的業(yè)績，英特爾正在加快2納米制程的研發(fā)進度。同時，該公司正致力于推動其代工業(yè)務的獨立發(fā)展。

從2024年第一季度開始，英特爾的財務架構將分為兩大板塊：英特爾代工和英特爾產品。

這一舉措標志著英特爾代工正式成為一個獨立的運營部門，并將擁有自己的損益表。

高通：市場決定合作的腦袋

高通作為全球領先的無線通信技術公司，其在移動處理器市場具有重要地位。

雖然高通主要是無晶圓廠半導體公司（Fabless），不直接參與芯片制造，但它在選擇代工廠商方面具有重要影響力。

高通的旗艦產品，如Snapdragon系列，一直是高端智能手機市場的首選。

在2納米技術的競爭中，高通的策略是選擇最佳的代工廠商來生產其設計的芯片。

高通可能會根據(jù)臺積電和三星等代工廠商的技術進展、成本效益和供應鏈穩(wěn)定性來決定其芯片的代工合作伙伴。

例如，有報道稱高通計劃在其下一代高端智能手機應用處理器中使用三星的[SF2]芯片，這表明高通在評估2納米技術時，不僅關注技術性能，也關注成本和市場競爭力。

結尾：

2納米制程技術已經(jīng)成為全球半導體行業(yè)的新戰(zhàn)場，各大廠商的競爭將推動技術的快速發(fā)展和廣泛應用，為未來的電子產品和智能應用帶來更加強大的性能和更高的能效比。

隨著技術的不斷進步和市場的不斷擴大，2納米制程技術無疑將成為未來半導體行業(yè)的重要里程碑。

部分資料參考：電子工程專輯：《巨頭紛紛布局2納米芯片》，全球半導體觀察：《2納米先進制程已近在咫尺》《全球2納米晶圓廠建設加速》，界面新聞：《芯片巨頭開戰(zhàn)2納米》