2nm，硅芯片終極之戰(zhàn)？

盡管絕大部分半導(dǎo)體市場都被成熟制程占據(jù)，多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域并不需要用到更先進(jìn)的2nm制程，但各企業(yè)還是競相追逐，甚至近日傳出日美兩大半導(dǎo)體大國要聯(lián)合研發(fā)2nm芯片的消息。“2nm現(xiàn)象”，值得深思。

先進(jìn)制程市占率上升

不難看出，盡管如今半導(dǎo)體市場被成熟制程占據(jù)，但先進(jìn)制程舉足輕重。

隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，在先進(jìn)制程的發(fā)展之路上，荊棘重重。也因此，隨著技術(shù)研發(fā)難度越來越高，不少廠商開始選擇放棄先進(jìn)制程的競爭，徹底投身于成熟制程的研發(fā)。例如，晶圓代工廠格芯曾在2020年公開表示放棄7nm以下的競爭。

然而，隨著人們對(duì)新興技術(shù)追求腳步的不斷加速，近年來市場對(duì)于先進(jìn)制程的熱度只增不減，市占率不斷飆升。

IC Insights數(shù)據(jù)顯示，在2019年，10nm以下先進(jìn)制程的市占率僅為4.4%，到2024年其比例將增長到30％，而10nm～20nm制程的市占率將從38.8%下降到26.2%，20nm～40nm制程的市占率將從13.4%下降到6.7%。

數(shù)據(jù)來源：IC Insights

臺(tái)積電2021年?duì)I收顯示，其主要的營收在于先進(jìn)制程而并非成熟制程，臺(tái)積電7nm及以下制程的營收，在2021年全年達(dá)到了50%。此外，臺(tái)積電在其法說會(huì)上表示其資本支出中的80%將用于3nm、5nm及7nm等先進(jìn)制程的研發(fā)。作為如今業(yè)內(nèi)唯二能制造出先進(jìn)制程的晶圓代工廠商之一，其營收情況以及資本支出可以表明，市場對(duì)于先進(jìn)制程的熱度只增不減。

數(shù)據(jù)來源：臺(tái)積電2021年年報(bào)

此外，除了手機(jī)、電腦等傳統(tǒng)意義上先進(jìn)制程的典型應(yīng)用領(lǐng)域外，一些曾經(jīng)以成熟制程為主的應(yīng)用領(lǐng)域，如今也不難看到先進(jìn)制程的身影。例如，已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進(jìn)制程工藝的車規(guī)級(jí)芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達(dá)等，陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。

硅芯片的最后一戰(zhàn)？

2nm或許是如今硅芯片領(lǐng)域的最后一戰(zhàn)，也是關(guān)鍵一戰(zhàn)。而這一戰(zhàn)，隨著臺(tái)積電、三星奮力尋求ASML高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，也開始逐漸打響。

此前，新思科技的研究專家Victor Moroz表示，硅晶體管的能力有限，它很有可能只能安全微縮到2nm。此外，由于石墨烯等新材料仍處于起步階段，短時(shí)間內(nèi)難以在半導(dǎo)體領(lǐng)域替代硅材料。也因此，將2nm芯片制程視為硅芯片的最后一戰(zhàn)，幾乎成為了業(yè)內(nèi)共識(shí)。

因此，全球所有的芯片大國和行業(yè)霸主，都在暗自較勁，要在2nm上“背水一戰(zhàn)”。

6月17日臺(tái)積電舉行的技術(shù)論壇上，這家晶圓代工龍頭首次披露，到2024年，臺(tái)積電將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構(gòu)的2nm芯片，預(yù)計(jì)在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)具備更高的光刻分辨率，能夠?qū)⑿酒w積縮小1.7倍，同時(shí)密度增加2.9倍。

幾乎同一時(shí)間，有報(bào)道稱三星電子從ASML獲得了十多臺(tái)EUV光刻機(jī)。而三星同樣表示其2nm芯片將于2025年量產(chǎn)。不難看出，三星也在為3年后的2nm芯片量產(chǎn)蓄力。

來源：三星

盡管量產(chǎn)2nm芯片還需時(shí)日，但此時(shí)此刻，臺(tái)積電、三星電子兩家芯片大廠不約而同地尋求下一代EUV光刻機(jī)，也意味著作為硅芯片的最后一戰(zhàn)——2nm之戰(zhàn)已經(jīng)打響。而究竟誰將會(huì)是最后的“贏家”，還難以預(yù)判。

2nm代表不了半導(dǎo)體的全部

毫無疑問，2nm制程已經(jīng)被龍頭半導(dǎo)體廠商們視為占領(lǐng)市場“制高點(diǎn)”的關(guān)鍵，然而，是否意味著擁有了2nm技術(shù)，就擁有了半導(dǎo)體制造業(yè)的控制權(quán)？

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬表示，3nm、2nm甚至未來1nm先進(jìn)工藝制程在推進(jìn)的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)可能不在于技術(shù)研發(fā)，而在于成本。28nm節(jié)點(diǎn)下的芯片設(shè)計(jì)成本僅為5130萬美元，而7nm、5nm節(jié)點(diǎn)下的芯片設(shè)計(jì)成本則分別躍升至2.978億美元和5.422億美元。

高昂的成本支出，是各大廠商不得不面臨的挑戰(zhàn)，但高昂的投入也不意味著能順利換來芯片的量產(chǎn)。以光刻機(jī)為例，臺(tái)積電和三星為量產(chǎn)2nm芯片花重金購買了ASML的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，但這并不意味著擁有過了光刻機(jī)就可以高枕無憂。

周鵬表示，光刻機(jī)的精度直接決定了芯片制程的精度，但在2nm的制程工藝上，高數(shù)值孔徑的EUV技術(shù)以及光源、掩模工具等技術(shù)均亟待優(yōu)化。“除光刻機(jī)外，互聯(lián)金屬電阻的惡化、高精度沉積與刻蝕工藝的需求、電路的三維集成與封裝技術(shù)的開發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過程中必須解決的技術(shù)難題。”周鵬說。

可見，工藝制程的推進(jìn)同樣伴隨著成本的大幅增加，導(dǎo)致半導(dǎo)體制造企業(yè)帶來的投入回報(bào)比可能并沒有想象中豐碩。因此，不能斷言掌握2nm技術(shù)就掌握了半導(dǎo)體制造的“制高權(quán)”，相比先進(jìn)工藝制程帶來的密度、功耗等性能優(yōu)勢，直線上升的制造成本更值得關(guān)注，未來，需要在先進(jìn)工藝的研發(fā)制造與成本支出之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，而這也并非易事。

雖然，在2nm的“背水一戰(zhàn)”中，很難有企業(yè)獲得最終的控制權(quán)，最終能站在制高點(diǎn)的企業(yè)也寥寥無幾，但這也并不意味著先進(jìn)制程的研發(fā)并無意義。

周鵬表示：“摩爾定律每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的突破，對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有非凡的意義，也勢必改變整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的市場格局，因此，先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的研究對(duì)于代工廠商以及整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展都至關(guān)重要。無論未來先進(jìn)制程領(lǐng)域的引領(lǐng)者是誰，最終受益者都是整個(gè)集成電路行業(yè)以及享用高性能電子產(chǎn)品的每一個(gè)人。”

作者丨沈叢

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞

監(jiān)制丨連曉東