【芯观念】2纳米制程之战：半导体巨子竞逐要过“四道坎”
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集微网音讯，在半导体全工业链中，晶圆制作一向发挥着根底核心效果。现在，跟着5G、人工智能和物联网等技能不断开展，各行各业对芯片功能和能效要求越来越高。而推进工艺技能开展的方法首要有两种，一个是芯片尺度缩微缩，一个是硅片直径增大。因为硅片直径增大触及整条出产线设备替换，制作工艺精进微缩其时仍是芯片功能继续进步的首要驱动力。
无论怎么，只需摩尔定律还存在，半导体巨子势必会抢占先进工艺制高点，其间包含台积电宣告2022年将开销近300亿美元用于2纳米、3纳米等工艺研制；上一年三星宣告2022年量产3纳米，2025年量产2纳米；英特尔方案经过2纳米制程重回巅峰；而IBM展现的2纳米制程也着实冷艳了一小阵。一起，欧洲与日本政府及企业也寄望经过2纳米重振芯片制作。
无疑，全球2纳米芯片制程之战的号角现已吹响。但在这场竞逐中，各企业仍首要有“四道坎”需求迈过，包含架构技能、资料、设备和本钱。其间，从现在各大厂发布的技能来看，GAAFET全栅场效应晶体管技能将会成为2纳米芯片研制的干流工艺。而二维资料和一维资料有望成为打破2纳米制程研制的潜力资料。此外，满意2纳米研制的光刻机需求2023年敞开测验。
作为先进工艺的主力推进者，台积电近年来一向引领职业开展，其间包含2018年推出7纳米，2020年推出5纳米，2022年将按期推出3纳米，一起2纳米工艺也在推进研制，估计最快2024年投产。官方资料显现，与5纳米工艺比较，台积电3纳米的晶体管密度到达每平方毫米2.5亿个，在逻辑密度上进步1.7倍，功能进步11%，平等功能下功耗可下降25%-30%。
为了削减出产工具以及客户规划的改变，台积电的3纳米将会沿袭鳍式场效应晶体管(FinFET)架构。但跟着工艺节点开展到3纳米后，晶体管沟道进一步缩短，FinFET结构将遭受量子隧穿效应的约束。因此，台积电据将在2纳米芯片中选用相似全栅场效应晶体管(GAAFET)结构。可以说，这一架构是FinFET技能升级版，将能进一步进步栅极对沟道电流的操控才干。
明显，2纳米在技能上改造十分要害。依据世界器材和体系道路图(IRDS)规划，在2021-2022年今后，FinFET结构将逐渐被GAAFET结构所代替。该架构即经过更大的闸极触摸面积进步对电晶体导电通道的操控才干，然后下降操作电压、削减遗漏电流，有用下降芯片运算功耗与操作温度。比方GAAFET技能将沟道四侧悉数包裹，FinFET的栅极仅包裹沟道三侧。
为了在先进工艺制程上对台积电弯道超车，三星不只调整了芯片工艺道路图，并且在技能架构上斗胆改造，其间包含越过4纳米工艺，由5纳米直接升至3纳米，并且3纳米、2纳米工艺都将运用GAAFET技能。2021年10月，三星宣告3纳米芯片已开端成功流片，将于2022年上半年出产，第二代3纳米芯片估计于2023年开端出产，2纳米芯片将于2025年量产。
依照规划，三星的3纳米GAAFET工艺将选用多桥式-沟道场效应晶体管（MBCFET）晶体管结构。与其时的5纳米工艺比较，其面积削减35%，功能进步30%，一起功耗下降了50%。此外，在IEDM 2021世界电子元件大会上，三星还携手IBM宣告了一种名为笔直传输场效应晶体管 (VTFET) 的芯片规划技能，并表明该技能打破了现在1纳米工艺规划的瓶颈。
尽管在GAAFET架构的开发时程上落后于三星，但台积电在FinFET技能范畴具有深沉见识，然后将大大缩短由3纳米FinFET切换至2纳米该技能的周期。依照以往阅历，三星在晶体管参数、芯片功耗、发热问题、良品率等功能上都比台积电略逊一筹。此外，作为纯晶圆代工企业，台积电还向来获得了巨大客户群支撑。因此，三星的弯道超车梦或依然困难。
在阅历了先进制程继续“挤牙膏”，移动互联网年代“被逾越”以及传统PC商场“被蚕食”后，英特尔期望经过一系列战略行动，从头夺回半导体职业领头羊的位置。而制作才干强化正是其间要害一环。1月22日，英特尔宣告一项新的出资方案，将在美国俄亥俄州出资200亿美元建造两座半导体制作工厂，2025年建成时将运用全球最先进工艺制作芯片产品。
此前，2021年7月，英特尔曾发布了最新的技能道路，并对重要工艺命名进行了修正：10纳米技能改名Intel 7，7纳米技能改为Intel4，5纳米技能改成Intel 3，2纳米技能改成Intel20A。其间，Intel 3在2023年下半年量产，Intel 20A在2024年量产，Intel18A工艺将于2025年推出。而在2纳米节点时，英特尔将由FinFET工艺转向其称为RibbonFET的GAAFET晶体管。
因为先进制程落后竞赛对手约一代，英特尔好像认识到了严峻危机，开端处处求协作，其间包含与三星、IBM签署协议一起研制2纳米工艺，不久后又传出与台积电协作3纳米制程测验。一起，英特尔还在先进工艺研制和制作上大举出资，估计终究将出资达1000亿美元，共建造8家制作工厂。根据此，英特尔未来或将与台积电、三星在先进工艺上打开尖峰对决。
在半导体范畴，IBM可谓也是先进工艺制程立异的佼佼者，从前首要推出7纳米、5纳米乃至2纳米工艺。2021年5月，IBM发布了全球首个2纳米制作工艺，并在美国纽约州奥尔巴尼的工厂展现了2纳米工艺出产的完好300mm晶圆。据估计，IBM 2纳米工艺或能在每平方毫米芯片上集成3.33亿个晶体管，远高于台积电5纳米工艺的每平方毫米约1.71亿个晶体管。
IBM其时声称，与最先进的7纳米节点芯片比较，这项技能估计可使芯片的功能进步45%，能耗下降75%，并能助力手机、数据中心、PC、自动驾驶等范畴使用完成功能腾跃。详细而言，2纳米芯片将加速PC、手机使用程序的处理速度，更快速地接入互联网，以及助力自动驾驶算法更快运转。此外，数据中心能耗巨大，如将处理器替换为2纳米产品将可大大下降等。
不过，尽管相同选用了GAAFET工艺，但该技能现在仍处在概念验证阶段，与量产工艺距离较大。一般，芯片工艺从实验室研制到正式量产商用，还需求代工厂不断进步晶圆良率。而即使处理晶圆良率问题，IBM其时也已不具有大规模量产芯片的才干。此前，IBM曾与三星、英特尔签署了联合研制2纳米的协议，但因需求多方验证测验或许还需几年才干投入商场。
尽管在全球半导体工业链中占有极为重要的位置，可欧洲在晶圆制作特别是先进工艺的实力上并不强。日前，面对美韩等国纷繁强化半导体制作才干，欧洲也再次燃起先进半导体制作的大志。2021年3月，欧盟委员会发布了《2030数字指南针》方案并提出新的方针，到2030年欧洲先进和可继续半导体的出产总值至少占全球出产总值的20%，出产才干冲刺2纳米。
清楚明了，欧洲半导体研讨历史悠久、工业链各环节根底厚实、科研机构实力微弱。但与强壮的规划、研制实力比较，欧洲在晶圆制作特别先进工艺上的实力相对单薄，乃至没有一家代工企业入围全球前十。多年来，英飞凌、恩智浦和意法半导体等企业专心于轿车电子、工业工业等稳健范畴，但却错过了存储器、晶圆代工和智能手机芯片等需求先进工艺的抢手范畴。
现在，跟着轿车智能化、网联化深化开展，芯片在轿车等工业中发挥的效果越来越严重，然后使得欧洲开展先进工艺制作开端变得火急。以往，因为技能多为传统特征工艺以及终端客户多坐落亚洲，欧洲半导体企业更倾向于采纳Fablite形式。但这也导致它们并不看好本地化制作，对布局先进工艺制作爱好寥寥。因此，怎么将各企业拧成一股绳将是欧盟的一大难题。
受供给缺少、交易冲突和经济不振等多重要素影响，日本也有意强化本国先进工艺芯片的制作才干。2021年3月，日本政府宣告将出资420亿日元，联合日本三多半导体厂商——佳能、东京电子以及Screen Semiconductor Solutions一起开发2nm先进工艺制程。此外，日本官方还推进与台积电、英特尔等头部大厂树立协作关系，以寻求克复在全球半导体比赛中的失地。
事实上，日本对先进晶圆制作范畴的布局早有迹可循。2020年5月，有关日本政府约请国外芯片制作商赴日建造晶圆工厂的音讯就屡次传出，可台积电后来决议去美国建造先进工艺晶圆代工厂。尽管晶圆制作“外援方案”失败，但日本依然没有抛弃，转而向先进封装等范畴建议攻势。终究，台积电宣告将在东京先进封测厂，并在筑波市建立晶圆及3D封装研制中心。
无疑，晶圆制作触及巨大的本钱开销和各项杂乱技能。所以，2022年头，日本政府半导体工业咨询组官员表明，日本应该供给租税减免优惠，以便在未来十年内到达产能880亿美元的出资效益。一起，日本必须在十年内完成2纳米制程量产。根据财务优惠或补助、半导体资料范畴堆集、本乡工业链企业携手以及外援帮忙，日本欲重振芯片制作的长路或将更有底气。
无论是结构上的立异仍是新资料的引进，2纳米都将是一个十分要害的节点。原有的多项技能难以满意开展要求，工业界需求从器材架构、工艺变异、热效应、设备与资料等方面归纳处理。而在这条具有新机遇的赛道上，欧美、日韩等国的企业均已将芯片制作的打破要点放在2纳米上。但想要打破并不简单，2纳米芯片制作在架构、资料和设备等方面仍面对多重瓶颈。
首要，现在2纳米制程技能重视的要点在于晶体管架构将由FinFET进入GAAFET代代。比较FinFET，GAAFET架构为四面盘绕式包覆，更能有用进步效能一起操控漏电等，因此或将成为2纳米工艺的干流架构。因此，对各企业而言，熟练掌握GAAFET技能至关重要。但现在，仅有三星在2纳米上迭代为第二代GAAFET架构制程，台积电等厂商仍处在规划状况。
其次，关于2纳米工艺研制，新式资料的挑选与使用相同会起到至关重要的效果。据了解，二维资料及其范德华异质结电子学器材，已在超低功耗晶体管、超快逻辑运算、光电互联及新式高密度存储等范畴表现出极大开展潜力，将在未来助力打破2纳米以下先进制程研制。详细而言，石墨烯、碳纳米管、过渡金属化合物等二维或一维资料因尺度较小有望代替硅基资料。
别的，制作2纳米工艺还需求光刻机等设备支撑。据揭露信息，ASML正在研制High NA（高数值孔径）EUV光刻机，可满意2纳米的研制和出产需求。其首台High NA EUV光刻机将于2023年敞开前期测验，并从2025年开端量产。详细来看，满意2纳米制程出产需求的光刻机，还需求打破改造光学分辨率、光刻胶等相关技能和设备系列问题，因此“道阻且长”。
再者，来自制作本钱方面的应战愈加严峻。数据显现，7nm工艺仅研制费用就至少需求3亿美元，5nm工艺平均要5.42亿美元，而3nm、2nm的工艺起步价大约在10亿美元左右。现在，台积电3nm工艺的总出资约为500亿美元，在建厂方面至少现已花费200亿美元，可见投入之巨大。假如一旦投入，相关企业势必将面对用户从哪里来，怎么平衡出产本钱等问题。
毫无疑问，先进制程技能的推出关于集成电路工业和商场格式有严重意义，而研制迟滞的半导体厂商必将被其他厂商的先进制程所逾越乃至代替。其时，尽管2纳米工艺还有技能架构、资料、设备和本钱等不少难点需求战胜，但各巨子的涌入竞赛，将可认为整个集成电路职业和用户带来不菲好处。因为工艺技能研制充溢变数，未来谁能终究锋芒毕露还需进一步调查。（校正/隐德莱希）回来搜狐，检查更多