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台积电、三星激战2nm|硅基世界

林志佳

林志佳

· 6月27日

当前,全球具备5nm及以下制程芯片制造实力的晶圆制造企业,正在展开一场投资超600亿美元、以纳米乃至原子厚度为目标的先进制程竞赛。

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台积电、三星激战2nm|硅基世界

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(来源:unsplash)

(来源:unsplash)

近期,2nm等先进芯片发展备受行业关注。

6月17日台积电举行的技术论坛上,晶圆代工龙头台积电(TSMC)首次披露,到2024年,台积电将拥有阿斯麦(ASML)最先进的高数值孔径极紫外(high-NA EUV)光刻机,用于生产纳米片晶体管(GAAFET)架构的2nm(N2)芯片,预计在2025年量产。

与此同时,6月初被美国总统拜登亚洲行接见后,紧接着,韩国三星电子副会长李在镕又马不停蹄奔赴欧洲,有报道指三星电子在阿斯麦获得了十多台EUV光刻机,并于本周起大规模生产3nm芯片,而2nm将于2025年量产。

尽管量产2nm芯片依然还需时日,但此时此刻,台积电、三星电子两家芯片大厂不约而同的寻求下一代EUV光刻机,意味着现在“2nm技术战”已经打响。

“到了未来的技术节点,间距微缩将减缓,硅晶体管似乎只能安全地微缩至2nm,而在那之后,我们可能就会开始使用石墨烯。”芯片制造的核心软件EDA巨头新思科技(Synopsys)研究专家Victor Moroz的这句话道出了2nm技术的重要性:2nm是硅芯片的最后一战。

砸下600亿美元夺nm

1965年,英特尔创始人戈登·摩尔提出了大名鼎鼎的“摩尔定律”(Moore's law)理论,即集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。

自此之后,“摩尔定律”一直驱动着集成电路和芯片产业的飞速发展。过去的50年中,芯片里的晶体管密度和芯片的性能,都呈现了指数级的增长,而使用晶体管进行计算的成本和功耗也呈现了指数级的下降。可以说,“摩尔定律”是驱动芯片半导体产业,甚至整个社会在这半个世纪里飞速前进的根本动力。

但随着芯片制程进入到5nm、3nm,很多工艺结构的设计已经开始接近于原子层面,对设计的精度、良率都有很高的要求,也使得技术的突破变得愈加困难。因此,如今的芯片微缩,则更加依赖光刻机技术以及新的架构设计的演进方法。

当前,全球具备5nm及以下制程芯片制造实力的晶圆制造企业,只有台积电和三星电子两家。而他们却正在展开一场投资超600亿美元、以纳米乃至原子厚度为目标的先进制程竞赛。

竞赛开始,先进技术的资本投入至关重要。

根据两家公司财报显示,2021年,台积电资本支出达300亿美元,而今年预计资本支出将达400-440亿美元,其中近90%用于先进制程以及特殊工艺技术;三星电子2021年则在半导体领域投资约337亿美元,并预计未来五年投资3600亿美元,主要用于半导体先进制程等。

四大核心技术竞争

当投入百亿,甚至是千亿美元,如今这场“2nm技术战”中,台积电和三星电子两家公司分别在晶体管结构、光刻、材料、封装等进行核心技术创新竞争。

首先是新的晶体管结构。

台积电2nm采用纳米片晶体管(GAAFET)结构,相比目前5nm鳍式场效应晶体管(FinFET)架构,GAAFET能更好控制漏电,且性能提升10%-15%,功耗却降低25%-30%。

实际上,芯片内部的场效应晶体管,分别包括源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate)三部分。随着芯片越做越精密,塞下的晶体管越来越多,栅极越来越细,导致电流就容易“漏出”。

为了解决该问题,科研人员研发出FinFET工艺,增加栅极的接触面积,减少电流漏电事件,同时芯片性能也能得到提升——类似“裤腰带”变成“带扣皮带”的方案。

而2nm使用的新的GAAFET结构,则是将栅极和漏极彻底包裹住,更好地控制漏电电流。

相比台积电,三星更胜一筹,决定在本周开始量产的3nm上,使用GAAFET结构,比台积电提前三年。而且,三星和IBM还分别推出了纳米片MBCFET、垂直晶体管VTFET两种结构,后者提供2倍的FinFET性能,功耗减少85%。不过MBCFET和VTFET目前没有量产迹象。

其次是新的光刻机设备。

工欲善其事,必先利其器。

阿斯麦(ASML)最新研发的高数值孔径极紫外光(high-NA EUV)光刻机,是2nm工艺的关键工具,成为三星、台积电争夺的焦点。

光刻机被誉为“皇冠上的明珠”,其利用特殊的光源和玻璃,将晶体管和设计好的电路图投射到硅芯片,来绘制芯片电路,其大小相当于一辆公交车,一家先进芯片工厂通常需要9~18台这样的设备。

芯片制造离不开光刻机,且制程越先进,其重要性越凸出,占芯片制造总成本比例也越高,总体来看,光刻机的成本占总设备成本的30%。

没有EUV光刻机,就无法制造先进制程芯片。而目前EUV光刻孔径为0.33NA,最多制造3nm芯片。

随着芯片越来越精密,更高数值的孔径意味着更小的光线入射角度,也意味着能够用来制造尺寸更小、速度更快的芯片。如今,三星、台积电都希望通过获得下一代EUV光刻机,从而在未来2nm技术竞争上占据优势。
光刻机路线图(来源:阿斯麦)

光刻机路线图(来源:阿斯麦)

最先进的高数值孔径EUV光刻机,目前只有ASML能够生产。然而,光刻机设备开发难度很大,一年只能生产十几台。随着全球芯片短缺,ASML不得不延迟交付,产能有限,厂商们要买到,并不容易。

此次李在镕到访欧洲,主要目的之一就是到荷兰采购ASML下一代EUV光刻机。更早之前,英特尔CEO基辛格为了能追赶台积电、三星,不止是投资入股阿斯麦公司,还提早花高价订购EUV光刻机制造产能。

据ASML公布的数据,新的EXE:5000系列high-NA EUV光刻机,镜头数值孔径从0.33NA变为0.55NA,孔径大小增加了67%,有望实现8nm的分辨率。预计这种设备非常复杂、非常大且价格昂贵——每台的成本将超过4亿美元。

最后是新材料、新的封装互联技术。

其中,材料方面,二维材料是目前半导体行业所关注的重点。台积电此前曾提到,台积电正在研究包括二硫化钨(WuS2)和碳纳米管等二维材料。相比于当前的硅材料,二维材料能够更有效地移动电子,并让芯片实现更节能的计算,更适用于2nm及之后的先进制程。

封装互联方面,台积电推出新的系统整合晶片堆叠(TSMC-SoIC)互连技术,解决3D封装堆叠问题,到2035年前,台积电有望实现1μm以内的SoIC互连,从而提高芯片整体供电性能,降低整体电阻,避免受到功率密度提升和电源电压下降的影响。

面对台积电当时的风光,三星正苦苦追赶。为了抢在台积电之前完成3nm研发,三星芯片制造工艺直接跳过4纳米,从5nm上升到3nm。

如今,台积电、三星两家公司都争夺光刻机,选择非常激进的技术路线制造2nm。但三星的良率、功耗技术上一直是个大问题,尤其曾出现推迟发布的情况,2nm也可能虎头蛇尾。

有消息指,台积电有望成为全球第一家率先提供2nm制程代工服务的晶圆厂。

三星、台积电争霸,谁着急了?

目前,5nm节点后,只有台积电和三星电子进入了先进制程的决赛圈。而2nm,成为了两家公司的“兵家必争之地”。

谁能取得优势,谁就能掌握半导体供应链的主动权,成为5G、AI、手机、自动驾驶、高性能计算(HPC)等领域的核心芯片供应商。

这是三星和台积电争霸2nm的核心原因——强如苹果、英伟达、AMD、英特尔、高通,都纷纷订购两家公司的先进技术产能。

2020年秋季,全球第一款5nm芯片产品出货。该芯片正是苹果在2020年秋季发布会上,首次公布的A14仿生芯片。据了解,这款SoC的晶体管数量达到118亿个,而制造5nm芯片的厂商,正是台积电。

有趣的是,台积电、三星电子两家晶圆代工厂激战之际,IBM、英特尔等芯片巨头,也都积极瞄准2nm这一重要工艺节点。

其中,2021年5月,IBM对外公布全球第一颗2nm芯片设计。而这颗“重磅炸弹”,不仅为自己正名,还让台积电、三星加快了布局速度。

英特尔对此也比较“活跃”。此前,英特尔大踏步进军芯片代工业务,对包括2nm在内的先进工艺制程进行了大手笔投入。2021年7月,英特尔对芯片制程工艺命名进行了修改,并公布了最新的技术路线。英特尔称,2nm(Intel20A)预计2024上半年投产,1.8nm (Intel18A) Lunar Lake 处理器预计2024年下半年量产。

不过,鉴于英特尔过去5年都没有按时生产先进芯片,所以英特尔有可能会推迟交付。

至于国内,由于难以引进尖端的半导体生产设备等因素,目前,中国大陆只突破了先进封装技术。而在晶圆代工部分,多家龙头企业已转向成熟制程工艺(28nm及以上)制程,其中,SMIC最好的产品是14nm,华虹半导体最好的产品是200mm。

正如刚上任的深圳昇维旭技术首席战略官、前紫光集团高级副总裁坂本幸雄所说,在计算逻辑芯片领域,相比台积电2nm,如今14nm是七、八年前的技术。如果缺乏在三、四年后追上台积电的雄心,中国大陆半导体产业差距会不断扩大。

(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

本文系作者林志佳授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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赞赏时间:2020.02.11 17:32

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  • 一句话,非常牛批

    2022-06-27 10:52 via android
  • 以后还能降到原子级厚度是吧?

    2022-06-27 10:54 via android
  • 我国现在目前芯片领域差距还很大

    2022-06-27 10:46 via pc
  • 这既需要技术,也需要设备呀

    2022-06-27 10:43 via h5

Oh! no

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