2納米，三巨頭的最后一戰(zhàn)

榮智慧

2納米是硅芯片的“最后一戰(zhàn)”。

晶體管越來(lái)越小，硅芯片已經(jīng)逼近工藝極限。2納米之后，石墨烯等碳材料可能取而代之。

先進(jìn)制程，三分天下。臺(tái)積電、三星和英特爾，一齊向2納米量產(chǎn)發(fā)動(dòng)總攻。

日前，臺(tái)積電向兩大客戶蘋(píng)果、英偉達(dá)展示了2納米原型芯片測(cè)試結(jié)果。三星宣布降價(jià)提供2納米原型，挖挖墻角。

英特爾實(shí)力最弱，口號(hào)最響，作為唯一的美國(guó)公司，它要在2025年“重回領(lǐng)導(dǎo)地位”，“令美國(guó)再次偉大”。

“追上臺(tái)積電，三星電子計(jì)劃2025年開(kāi)始量產(chǎn)2納米芯片”，2023年6月《韓國(guó)經(jīng)濟(jì)》報(bào)道。

當(dāng)時(shí)，三星正于美國(guó)加利福尼亞州硅谷舉辦“2023三星晶圓代工論壇”，不僅公布了2納米半導(dǎo)體量產(chǎn)和應(yīng)用時(shí)間表，還宣布2026年將該芯片用在高性能計(jì)算產(chǎn)品上，2027年擴(kuò)展到汽車領(lǐng)域。

“五年趕超臺(tái)積電。”

這一使命要追溯到2009年。三星最高經(jīng)營(yíng)決策會(huì)議秘密通過(guò)一項(xiàng)計(jì)劃—“干掉臺(tái)灣”（Kill Taiwan），頭號(hào)目標(biāo)臺(tái)積電。

靠薪水翻倍的條件，三星挖走臺(tái)積電好幾十人，包括技術(shù)骨干梁孟松。

那一陣子臺(tái)積電過(guò)得也不好。2006年，研發(fā)副總裁蔣尚義退休。2007年量產(chǎn)45納米后，40納米的良品率始終低位徘徊，加上2008年金融危機(jī)，半導(dǎo)體市場(chǎng)大幅萎縮。

2009年，退休四年的臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀決心重掌臺(tái)積電。他請(qǐng)回退休三年的蔣尚義，第一個(gè)要求就是“把公司新增的10億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)盡快花出去”。

張忠謀的心頭大患是干了17年的“老員工”梁孟松，蔣尚義的學(xué)生，曾長(zhǎng)期擔(dān)任臺(tái)積電先進(jìn)制程處處長(zhǎng)。2003年，臺(tái)積電以自主技術(shù)130納米“銅工藝”擊敗IBM，梁孟松的功勞僅次于蔣尚義。后來(lái)，他們的恩怨延續(xù)到中芯國(guó)際。

梁孟松給三星帶來(lái)一大批FinFET（鰭式場(chǎng)效晶體管）人才，三星與臺(tái)積電的技術(shù)差距快速縮短；更搶在臺(tái)積電之前，率先量產(chǎn)了14納米制程，吸引了蘋(píng)果、高通等大客戶。

張忠謀發(fā)起“夜鶯計(jì)劃”，組建了一支300人以上的研發(fā)隊(duì)伍，24小時(shí)不間斷地攻堅(jiān)下一代10納米制程。從10納米開(kāi)始，臺(tái)積電又占上風(fēng)。

2022年6月30日，三星宣布3納米芯片量產(chǎn)，全球第一家。而且，它首次采用GAAFET（全環(huán)繞柵極場(chǎng)效晶體管）工藝，取代了主流的FinFET結(jié)構(gòu)—相比后者，GAA結(jié)構(gòu)可以更精確地減少漏電損耗，降低功耗。

量產(chǎn)3納米的一個(gè)多月前，美國(guó)總統(tǒng)拜登剛剛參觀過(guò)韓國(guó)首爾以南70公里外的三星平澤廠。通過(guò)向拜登展示3納米芯片，三星亮出了“超越”臺(tái)積電的實(shí)力。

拜登剛走，三星公開(kāi)巨額投資計(jì)劃：未來(lái)五年，將在芯片、生物科技領(lǐng)域投資3550億美元，差不多是2.5萬(wàn)億人民幣。自2014年啟動(dòng)的中國(guó)國(guó)家大基金計(jì)劃，一二期不到2500億元，三期3000億元，加起來(lái)算5500億元，也僅有該計(jì)劃的五分之一。

光拜登參觀的平澤園區(qū)廠，總投資超過(guò)240億美元，比國(guó)家大基金一期的規(guī)模還大。

在三星最新的詳細(xì)路線圖中，除了2025年量產(chǎn)2納米外，也計(jì)劃把GAA工藝制造的芯片擴(kuò)展到3D封裝。三星已在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部門內(nèi)組建先進(jìn)封裝（AVP）業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)。

到2027年，三星將如期量產(chǎn)1.4納米。

臺(tái)積電的市場(chǎng)份額接近六成，一向不喜歡評(píng)論對(duì)手。

同樣是2023年6月，臺(tái)積電也放出風(fēng)聲：旗下2納米技術(shù)進(jìn)度比預(yù)期好，能實(shí)現(xiàn)2024年試產(chǎn)、2025年量產(chǎn)的目標(biāo)。消息人士透露，臺(tái)積電將召集千人以上的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在臺(tái)灣竹科寶山晶圓20廠率先量產(chǎn)2納米。

2納米芯片，一片報(bào)價(jià)逼近2.5萬(wàn)美元，比3納米不到2萬(wàn)美元的單價(jià)上漲超30%—先進(jìn)制程領(lǐng)域，臺(tái)積電擁有“天價(jià)”定價(jià)權(quán)和超40%的高昂凈利潤(rùn)率。只有主打成熟制程的美國(guó)德州儀器，凈利潤(rùn)率與之接近。

天價(jià)也是真金白銀砸出來(lái)的。臺(tái)積電2022年研發(fā)費(fèi)用達(dá)到54.72億美元，10年間增長(zhǎng)約4倍，投資現(xiàn)金流達(dá)399億美元，增長(zhǎng)也超過(guò)4倍。

雖然三星搶先量產(chǎn)了基于GAA的3納米芯片，但低良率也成了它趕超臺(tái)積電的高昂代價(jià)。量產(chǎn)初期，三星3納米良率只有20%。持續(xù)改進(jìn)后，良率也僅在60%上下徘徊。

新手要冒險(xiǎn)，“老大”要穩(wěn)健。

臺(tái)積電在2納米制程才引入GAA晶體管、背面供電和超高性能電容器等多項(xiàng)新技術(shù)。

“挑大梁”的GAA，是2納米以下制程必須采用的結(jié)構(gòu)。

過(guò)去晶體管是長(zhǎng)的，采用平面結(jié)構(gòu)。過(guò)去10年，也就是自英特爾在22納米上采用FinFET以來(lái)，像魚(yú)鰭一樣的3D結(jié)構(gòu)就成了主流。臺(tái)積電的3納米也不例外。

通電時(shí)打開(kāi)、不通電時(shí)關(guān)閉—半導(dǎo)體靠這種方式進(jìn)行計(jì)算，由柵極的調(diào)節(jié)閥控制是否通電。FinFET結(jié)構(gòu)是在電流通道的四個(gè)側(cè)面中，柵極堵住三個(gè)方向。

半導(dǎo)體越來(lái)越小，柵極也變得特別小，控制能力就減弱了。一旦小于2納米，沒(méi)有柵極的地方漏電增加，導(dǎo)致電力浪費(fèi)，性能難以提高。GAA就是把過(guò)去豎著像魚(yú)鰭的器件橫過(guò)來(lái)，四個(gè)方向都有柵極圍住，還能多并置幾個(gè)。

當(dāng)然，GAA的技術(shù)難度也相應(yīng)增大。由于EUV光刻機(jī)的限制，只能做到每小時(shí)90片晶圓，而業(yè)內(nèi)期望速度至少每小時(shí)125片，當(dāng)下很難達(dá)到良品率和效率并存的效果。

目前，對(duì)外公開(kāi)結(jié)構(gòu)、2納米節(jié)點(diǎn)迭代而造成密度與性能變化等信息，臺(tái)積電是唯一一家。

2022年技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電提到，和上一代工藝相比，在相同功耗、相同晶體管數(shù)量的情況下，2納米工藝能夠帶來(lái)性能方面10%—15%的提升；或者同頻率與復(fù)雜度下功耗25%—30%的下降；晶體管密度提升1.1倍。

一顆典型芯片，包含50%的邏輯電路、30%的SRAM單元，以及20%的模擬電路。而晶體管密度提升，特指邏輯電路。不同工藝節(jié)點(diǎn)之間，模擬和存儲(chǔ)電路的器件尺寸微縮速度，一般總是慢于邏輯電路的。單看邏輯電路的數(shù)據(jù)，1.1倍不算很理想。

2023年研討會(huì)上，該數(shù)字更新為大于1.15倍，證明工藝還在持續(xù)改進(jìn)之中。

相比之下，三星和英特爾都沒(méi)有公布什么詳細(xì)的信息。三星說(shuō)其2納米芯片性能提高了12%，功率提高了25%，面積減少了5%。英特爾只是說(shuō)Intel 20A相比Intel 3有15%的每瓦性能提升。

量產(chǎn)3納米，僅有臺(tái)積電和三星。英特爾和它們還有幾代的差距。

假如只看晶體管密度，臺(tái)積電和三星在絕對(duì)值上“遙遙領(lǐng)先”。這也說(shuō)明了英特爾的20A為何最先于2024年量產(chǎn)—靠“命名”實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)IC Knowledge的數(shù)據(jù)，20A晶體管密度小，也就更好制作。

自從7納米與5納米時(shí)代被臺(tái)積電和三星趕超，英特爾就改變了迭代策略，閉口不談“幾納米”。2023年2月，英特爾在戰(zhàn)略媒體溝通會(huì)再度確認(rèn)20A“測(cè)試芯片已流片”。目前愛(ài)立信已宣布采用其1.8納米制程工藝來(lái)定制5G芯片。

各家Foundry的工藝名稱都不一樣，英特爾20A，臺(tái)積電N2，三星2GAP，怎么稱呼都有，也不代表晶體管或器件的實(shí)際物理尺寸。

關(guān)鍵是，三家的2納米，都沒(méi)有特別具體的定義曝光，我們也不能認(rèn)為這三者一定是同代工藝。

先進(jìn)制程拼的，只在“毫厘之間”。

一臺(tái)EUV光刻機(jī)價(jià)格高達(dá)1.5億歐元，有錢也不一定買得到。除了三巨頭，其他廠商很難承受如此巨大的成本—幾乎不存在制造2納米的可能性了。

誰(shuí)先量產(chǎn)，誰(shuí)就有先進(jìn)芯片市場(chǎng)的定價(jià)權(quán)，誰(shuí)就有更豐厚的利潤(rùn)空間和更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，以及更廣闊的發(fā)展空間。

二十年來(lái)，倒在晶體管上的企業(yè)如過(guò)江之鯽。截至2002年/2003年，當(dāng)時(shí)制造最先進(jìn)130納米的半導(dǎo)體企業(yè)，共有26家，包括10家日企。等到2010—2012年，涉足28—32納米的企業(yè)總數(shù)減少至10家，沒(méi)有一家日企。

日本不甘心掉隊(duì)，去年組建了半官半民的半導(dǎo)體公司Rapidus，直接沖擊2納米，找回“失去的十年”。

Rapidus由豐田、索尼、NTT、NEC、軟銀、電裝、鎧俠、三菱UFJ這8家日企出資73億日元（約3.76億人民幣）設(shè)立，日本政府也提供700億日元（約36.05 億元人民幣）補(bǔ)助，作為研發(fā)預(yù)算。

Rapidus的目標(biāo)是，2027年量產(chǎn)2納米。今年以來(lái)，它已經(jīng)和美國(guó)IBM、荷蘭阿斯麥、加拿大初創(chuàng)企業(yè)Tenstorrent達(dá)成深度合作。

日本忽然發(fā)力，借了美國(guó)《芯片法案》的東風(fēng)，據(jù)悉“有錢也買不到”的EUV光刻機(jī)已經(jīng)到手。

而《芯片法案》能給日本帶來(lái)多少實(shí)惠，很難說(shuō)。一年半過(guò)去了，第一個(gè)拿到補(bǔ)貼的是美國(guó)國(guó)防承包商BAE Systems，金額約3500萬(wàn)美元—它是給F-15和F-35戰(zhàn)斗機(jī)以及衛(wèi)星、其他防御系統(tǒng)造芯片的。其他公司可沒(méi)有這么硬的來(lái)頭，還得排隊(duì)等。

至于《通脹削減法案》里關(guān)于電動(dòng)車的補(bǔ)貼，最近也是小道消息滿天飛。據(jù)說(shuō)特斯拉可能拿不到每輛7500美元的補(bǔ)貼。

還是回到錢上。

日本業(yè)界估算，2納米的背后大約需要2萬(wàn)億日元，籌備量產(chǎn)線還需要3萬(wàn)億日元。招聘半導(dǎo)體人才上，又需要一大筆資金。現(xiàn)在投資的773億日元（還沒(méi)有到位），和砸硬件所需的5萬(wàn)億差得實(shí)在太多。

為什么要搶先進(jìn)制程？不光因?yàn)榧夹g(shù)強(qiáng)，更因?yàn)橹靛X。

Omdia預(yù)測(cè)，以2026年為基準(zhǔn)，整個(gè)晶圓代工市場(chǎng)將達(dá)1879億美元，而5納米以下市場(chǎng)將達(dá)645億美元，占比34%。

2納米主要應(yīng)用在PC服務(wù)器、GPU（圖形處理器）和手機(jī)SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）上。誰(shuí)先量產(chǎn)，誰(shuí)就有先進(jìn)芯片市場(chǎng)的定價(jià)權(quán)，誰(shuí)就有更豐厚的利潤(rùn)空間和更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，以及更廣闊的發(fā)展空間。