文|半导体产业纵横

当晶圆代工还在推进3nm时，2nm已经横空出世。一个曾经遥远的目标，随着摩尔定律的发展正在被台积电、英特尔、三星等巨头竞相追逐。

从各大巨头公布的进展来看，2025年将是2nm的决战之年。

2nm的追逐之战

在2nm的征战中，台积电、英特尔、三星从未缺席。

台积电一直走在先进制程的前列。根据台积电2021年的财报显示，5nm晶圆出货量占据了总营收的20%，7nm工艺技术占30%，也就是说先进制程芯片代工贡献了一半营收。

因此，台积电对于先进制程的重视不言而喻。台积电官方曾表示，其到2025年预计投入440亿美元用于研发，八成费用将用于先进制程。

在先进制程的路线图中，台积电第一代3nm（N3）将于今年下半年量产，2nm将于2025年量产。在场地方面，台积电已经宣布将花费1万亿新台币（约2290亿元人民币）在台中扩大2nm产能布局。目前台积电的首个2nm（新竹N2厂）正在申请土地使用权，计划于今年三季度动工。

英特尔同样进行了巨额的投入，在俄亥俄州宣布要投入200亿美元兴建晶圆厂，以及在欧洲投入360亿美元设厂。

英特尔已承诺到2025年重新获得芯片制造技术的领先地位。在2021年年中首次披露了其1.8nm技术——它称之为18A技术。今年，英特尔首席执行官Pat Gelsinger表示，这项技术“比计划提前了六个月”，并将时间表提前到了2024年底。

面对先进制程的研发，三星在投资方面也毫不手软，宣布在未来三年内投资创纪录的2050亿美元，以保证在芯片制造领域的领先地位。

三星电子今天宣布，已开始初步生产采用全环栅极 (GAA) 晶体管架构的3nm工艺节点。另外，三星也将2nmGAA工艺的量产时间定在2025年。

但是，良率问题已经成为围绕三星的阴影。在全球5／7nm工艺的主要客户中，只有高通、英伟达和IBM表示愿意采用三星电子的先进工艺技术，苹果、联发科、AMD、英特尔、博通都与台积电保持稳定的合作关系。在3nm的研发中，三星也多次因为良率过低推迟宣布正式的大规模生产。

2nm的全球渴望

面对2nm的诱惑，全球各地都在发力。

在美国方面，IBM在5月7日宣布了关于2nm的进展，声称其已打造出全球首个2nm芯片制造技术。但是IBM公布的只是实验性质的预研项目，距离量产还有很远的距离。

日本则传出消息，想和美国合作研发2nm工艺制程，计划最早2025年在日本启动2nm制程国内制造基地。

欧盟同样想参与2nm的赛道。去年12月，19个欧盟成员国签署了一项联合声明，以“加强欧洲开发下一代处理器和半导体的能力”进行合作。其中包括为各行各业的特定应用提供最佳性能的芯片和嵌入式系统，以及向处理器技术的2nm节点发展的领先制造技术。

欧盟希望在2030年，欧洲先进和可持续半导体的生产总值至少占全球生产总值的20%，较2020年提升一倍，制程瞄准2nm，能效达到今天的10倍。

GAA是2nm的最终选择？

关于2nm的结构选择一直是业内争议，每家公司都有不同的理念。GAA、Nanosheet和VTFET、CFET、2DTMD和CNT等新结构都曾出现在各大巨头的演讲稿中。

但面对2nm制程，台积电、三星、英特尔都不约而同的选择了GAA晶体管——纳米片FET（英特尔称其为RibbonFET）。

三星是全球第一家使用GAA技术的公司，从5nm节点的finFET迁移到3nm节点的GAA。三星希望在GAA时代的竞争中获得一席之地。该公司宣布将在2022年推出3nmGAA的早期版本，而其“性能版本”将在2023年出货。

相比之下，英特尔和台积电计划在3nm扩展finFET，然后在2nm转移到GAA。台积电在3nm时保留了FinFET结构，从而降低风险。台积电的3nm是其5nm平台的全尺寸版本，但复杂度更高。

台积电的全环绕栅极式纳米片电晶体管（GAA nanosheet transistors），晶体管的通道在所有四个侧面都被栅极包围，从而减少了电能泄漏。这在当下晶体管体积越发接近原子体积时，将会越来越突出。

采用GAA架构，可以解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。与FinFET晶体管（下图红线）相比，Nanosheet（下图蓝线）能够实现更严格的阈值电压（Vt）控制。

去年宣布研制出2nm芯片的IBM同样选择了纳米片工艺，在IBM的研究中纳米片也表现出更优秀的特性。

更高的计算性能和更低的功耗：由于GAA中更好的静电控制和更高的封装密度，纳米片提供了更好的功率性能设计点。与代工厂现有的最新最好的7nm FinFET技术相比，纳米片技术在相同功率下提供超过25%的性能提升，或在相同性能下节省超过50%的功率。

更流线型设计的可变片宽：值得注意的是，纳米片技术是人工智能和5G时代计算机产品更好的架构材料，因为它通过极紫外光刻(EUV)实现了可变片宽。这使得器件设计更加通用，因为具有不同通道宽度的纳米片器件可以共同集成在同一芯片中，以进一步优化功率性能。

通道厚度控制：增加纳米片堆栈的通道层可以创建用于通道形成的原子级控制。FinFET不可能实现如此精确的沟道厚度控制，因为它是由光刻技术和RIE定义的，其中局部和全局工艺变化远高于外延厚度变化。

也正因如此，Nanosheet GAA或许会成为2nm的未来选择。

EUV光刻机的激烈竞争

工欲善其事，必先利其器。

在2nm的研发中，高NA的EUV光刻机是制造的关键设备。使用13.5nm波长EUV已被用于在7nm和5nm处对微小特征进行图案化。下一代版本High-NA EUV正在研发中，需要对3nm以上的更精细特征进行图案化。因此，下一代光刻机花落谁家也成为是否能量产2nm工艺的关键。

而按照ASML的数据，2021年一共出货48台EUV光刻机，其中，三星购得15台，台积电为20台，另外的13台则被英特尔、美光、SK海力士等厂商分走了。

而2022年，预计可以交付51台EUV光刻机，这51台就是三星、台积电、英特尔们争抢的重点。

英特尔早已抢下ASML下一代芯片制造系统TwinscanEXE：5200，其吞吐量超每小时220片晶圆（wph），预计将在2024年交付并投入使用。TwinscanEXE：5200相较于其他光刻机无论是生产能力（每小时生产超过200片晶圆）还是精度（0．55数值孔径）都有较大提高，这意味着谁拥有了便拥有了3nm，甚至是2nm时代的芯片霸权。

台积电研发高级副总裁米玉杰在上述研讨会上表示：“台积电将在2024年引入Hign-NA EUV光刻机，以开发客户所需的相关基础设施和图案化解决方案，并推动创新。”尽管之后其表示，台积电不会在2024年准备使用新的High-NA EUV工具进行生产，将主要用于与合作伙伴进行研究。

但Tech Insights芯片经济学家Dan Hutcheson说："台积电在2024年拥有它，意味着他们可以更快地获得最先进的技术。”

三星方面，三星集团副会长、三星集团实际控制人李在镕最近访问欧洲，拜访ASML。外界认为，李在镕此举最重要的目标是，向ASML买到自己需要的EUV光刻机，以保证晶圆代工业务的顺利进行。

3nm仍将是主流

在摩尔定律的继续推动下，工艺制程或许还会缩小。从IMEC展示的最新路线图中，最远能够看到2036年的0.2nm工艺。

实际上，从目前台积电公布的性能提升来看，2nm之于3nm的提升，似乎不如3nm之于5nm。在同等能耗和复杂度下，N2的性能比N3高10%-15%。在相同速度和单位面积晶体管平均数目下，N2的能耗比N3低25%-30%，远远达不到摩尔定律密度翻倍的要求。

如果按照摩尔定律2年升级一代的水平发展的，未来芯片工艺还可以迭代下去。但就目前来说，3nm仍然将是长期的主流。

在2020年的ISSCC上，IMEC的Nadine Collaert女士提到，在3nm以下，很难再使得单个晶体管的性能再有提升，能做的只是提高集成度，降低功耗。所以从3到2，优化的程度可能并没有那么明显。

台积电也表示与N7和N5节点一样，N3将成为台积电另一个持久节点系列。尤其台积电2nm节点转向纳米片GAAFET技术，3nm节点系列将成为经典先进FinFET技术最后一个系列，许多客户预定还会采用几年或更久。台积电业务发展副总裁 Kevin Zhang表示：“我们确实相信3nm将是一个长节点。我们将继续看到该节点的大量需求。”

这也是为何台积电推出N3制程系列及FinFlex技术的原因。

实际上，我们没有必要过于神化先进工艺带来的变化，摩尔定律总有一天发展到尽头，但正如得胡正明先生说：“只要做出更加智慧的器件，半导体产业就会继续发展向前。”