2nm，要來(lái)了

作者：方圓

在半導(dǎo)體制造中，2nm工藝是繼3nm工藝節(jié)點(diǎn)之后的下一個(gè)MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）芯片微縮技術(shù)。

“2nm”或“20?！保?a class="article-link" target="_blank" href="/manufacturer/1000203/">英特爾使用的術(shù)語(yǔ)）與晶體管的任何實(shí)際物理特征（例如柵極長(zhǎng)度、金屬間距或柵極間距）無(wú)關(guān)。根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)發(fā)布的2021 年更新的《國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖》中的預(yù)測(cè)，“2.1 nm節(jié)點(diǎn)范圍標(biāo)簽”預(yù)計(jì)接觸柵極間距為 45 nm，最緊密金屬間距為 20 nm。

一般而言，5nm 芯片每平方毫米的晶體管數(shù)量大約在 1.7 億 - 2 億個(gè)左右。隨著制程微縮到 3nm，晶體管密度會(huì)有顯著提升，能達(dá)到每平方毫米 2.5 億 - 3 億個(gè)左右。

而 2nm 制程更是實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，其晶體管密度有望超過(guò)每平方毫米 3.5 億個(gè)，相較于 3nm 又提升了約 15% - 20%，相比 5nm 提升幅度超 75%。更高的晶體管密度意味著芯片能夠同時(shí)處理更多的任務(wù)，在多線程、并行計(jì)算等場(chǎng)景下表現(xiàn)更為出色，無(wú)論是運(yùn)行復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算軟件，還是處理高清視頻流、玩大型 3D 游戲等日常應(yīng)用，都能帶來(lái)更流暢的體驗(yàn)。

在功耗方面，芯片制程越小，晶體管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換時(shí)消耗的電能就越少。到了 2nm 制程，由于晶體管尺寸更小、電阻更低，漏電現(xiàn)象大幅減少，功耗能夠比 3nm 芯片再降低 10% - 15% 左右，這對(duì)于依靠電池供電的移動(dòng)設(shè)備而言至關(guān)重要，可顯著延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間，如智能手機(jī)、平板電腦等，讓用戶無(wú)需頻繁充電。

同時(shí)2nm 芯片相較于 3nm 芯片，性能有望再提升10% - 20%，能夠讓計(jì)算機(jī)啟動(dòng)程序更快、渲染圖像更迅速，在人工智能計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等需要快速運(yùn)算的領(lǐng)域展現(xiàn)更強(qiáng)的實(shí)力。了解完 2nm 芯片在性能與功耗上的優(yōu)勢(shì)后，看看全球半導(dǎo)體巨頭在該領(lǐng)域的進(jìn)展。

?01臺(tái)積電：一馬當(dāng)先

臺(tái)積電 2nm（N2）技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展順利。N2 技術(shù)采用該公司第一代nm片晶體管技術(shù)，在性能和功耗方面實(shí)現(xiàn)了全節(jié)點(diǎn)跨越，預(yù)計(jì)今年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。前不久在舊金山舉行的 IEEE 國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議 (IEDM) 上，臺(tái)積電透露了關(guān)于2nm的更多細(xì)節(jié)。臺(tái)積電強(qiáng)調(diào)，其 2nm 工藝的性能提高了 15%，功耗降低了 30%，顯著提高了節(jié)點(diǎn)效率。

此外，該工藝的晶體管密度提高了 1.15 倍，這歸功于全環(huán)柵 (GAA) nm片晶體管和 N2 NanoFlex 的使用，這使得制造商能夠在最小的面積內(nèi)塞入不同的邏輯單元，從而優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的性能。通過(guò)從傳統(tǒng)的 FinFET 技術(shù)過(guò)渡到專用的 N2“nm片”，臺(tái)積電成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的更大控制，這使得制造商能夠根據(jù)工藝用例微調(diào)參數(shù)。這之所以成為可能，是因?yàn)閚m片具有一疊狹窄的硅帶，每條硅帶都被柵極包圍；與 FinFET 實(shí)現(xiàn)相比，這最終可以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

據(jù)稱，N2 晶圓每片的價(jià)格可能在 2.5-3 萬(wàn)美元之間，具體取決于臺(tái)積電如何調(diào)整，但與 3nm 相比，這是一個(gè)巨大的上漲，據(jù)說(shuō) 3nm 的價(jià)格約為 2 萬(wàn)美元。更不用說(shuō)，當(dāng)你考慮到初始良率和試產(chǎn)時(shí)，最終生產(chǎn)會(huì)受到更多限制，這意味著該工藝的采用在開(kāi)始時(shí)會(huì)比較慢。

此前，據(jù)臺(tái)積電董事長(zhǎng)魏哲家稱，2nm 晶圓的需求高于上一代 3nm，因此臺(tái)積電提前試產(chǎn)也是理所當(dāng)然。臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始小規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)光刻技術(shù)，但目前的產(chǎn)能僅限于 5,000 片晶圓。不過(guò)，此前有報(bào)道稱，該公司在試運(yùn)行期間已達(dá)到 10,000 片，預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候?qū)⑦_(dá)到 50,000 片。到 2026 年，這一數(shù)字預(yù)計(jì)將達(dá)到 80,000 片，但尚未確認(rèn)是同時(shí)采用 N2 和 N2P 工藝還是僅采用其中一種。此前，隨著寶山和高雄工廠的投入運(yùn)營(yíng)，臺(tái)積電每月的晶圓產(chǎn)量可以達(dá)到40,000 片。

在進(jìn)步方面，沒(méi)有其他代工廠能夠與制造商的步伐相匹敵，因此大多數(shù)決心推出尖端硅片的公司將尋求臺(tái)積電的服務(wù)也就不足為奇了。但目前晶圓價(jià)格過(guò)高也引發(fā)了客戶的擔(dān)憂，臺(tái)積電正在探索降低總成本的新方法，首先是推出名為“CyberShuttle”的服務(wù)，該服務(wù)將于今年 4 月晚些時(shí)候啟動(dòng)。這種方法將允許蘋(píng)果、高通等公司在同一測(cè)試晶圓上評(píng)估他們的芯片，從而降低成本。蘋(píng)果預(yù)計(jì)將是該代工廠的第一個(gè)客戶，其次是高通和聯(lián)發(fā)科。但有消息稱高通、英偉達(dá)等公司因臺(tái)積電成本高考慮轉(zhuǎn)投三星代工廠。

高通在移動(dòng)芯片領(lǐng)域地位重要，與臺(tái)積電合作久，很多旗艦芯片由臺(tái)積電生產(chǎn)，但 2nm 工藝晶圓高價(jià)加上臺(tái)積電可能漲價(jià)，使其成本壓力大，在智能手機(jī)市場(chǎng)芯片成本波動(dòng)影響產(chǎn)品定價(jià)與利潤(rùn)，所以重新審視供應(yīng)鏈，三星代工價(jià)格低且有 3nm GAA 工藝經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高通有吸引力。英偉達(dá)在 GPU 領(lǐng)域領(lǐng)先，人工智能發(fā)展使其對(duì)高性能芯片需求大增，本指望臺(tái)積電 2nm 工藝提升競(jìng)爭(zhēng)力，但臺(tái)積電代工成本高、初始產(chǎn)能有限，阻礙產(chǎn)品推出計(jì)劃。三星展示 2nm 工藝規(guī)劃，提出性價(jià)比更高方案爭(zhēng)取英偉達(dá)訂單。

臺(tái)積電清楚自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)難被馬上超越，2nm 工藝性能、功耗、晶體管密度優(yōu)勢(shì)是吸引客戶關(guān)鍵，但也意識(shí)到客戶流失風(fēng)險(xiǎn)。為應(yīng)對(duì)，除 “CyberShuttle” 服務(wù)，還加速內(nèi)部成本優(yōu)化流程，加大研發(fā)投入提升良率，降低單位成本，同時(shí)與客戶深度溝通，依客戶需求定制芯片代工方案。目前臺(tái)積電最大的客戶蘋(píng)果已在其工廠預(yù)留了 2nm 芯片生產(chǎn)，這讓蘋(píng)果相對(duì)于業(yè)內(nèi)其他公司占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。但蘋(píng)果已推遲使用臺(tái)積電的 2nm 處理器芯片用于 iPhone 17 Pro 和 iPhone 17 Pro Max，目前商用發(fā)布時(shí)間定于 2026 年。延遲是因?yàn)閷?duì)臺(tái)積電 2nm 芯片的高生產(chǎn)成本和有限的制造能力感到擔(dān)憂。

?02三星：豪賭未來(lái)

三星在 2nm 賽道上同樣全力以赴。其計(jì)劃在 2nm 芯片中集成背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）技術(shù)，將電源線放置在晶圓的背面，這樣可以更輕松地在更小的節(jié)點(diǎn)尺寸上制造芯片，同時(shí)減小芯片尺寸、提高電源效率和性能。

據(jù)報(bào)道，三星鑄造廠已經(jīng)在兩個(gè)Arm芯片上測(cè)試了 BSPDN 技術(shù)，使這些芯片的芯片尺寸減小了 10% 和 19%，同時(shí)性能和效率提高了最多 9%，測(cè)試結(jié)果超過(guò)了公司的性能目標(biāo)。且三星對(duì) 2nm 工藝研發(fā)投入海量資源，在韓國(guó)華城的 “S3” 工廠快馬加鞭地安裝設(shè)備，構(gòu)建 2nm 生產(chǎn)線，目標(biāo)指向 2025 年第一季度達(dá)成每月 7000 片晶圓的產(chǎn)量，并計(jì)劃在 2025 年末將 “S3” 工廠剩余的 3nm 生產(chǎn)線全面升級(jí)為 2nm 生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的迭代升級(jí)。

不僅如此，三星還前瞻布局，擬于 2025 年第二季度在韓國(guó)平澤的 P2 “S5” 工廠啟動(dòng) 1.4nm 生產(chǎn)線建設(shè)，持續(xù)向制程工藝極限發(fā)起沖擊。然而，三星在前行途中并非一帆風(fēng)順，3nm 工藝的 Exynos 芯片生產(chǎn)延期、良品率問(wèn)題如陰霾籠罩，給其帶來(lái)不小壓力。并且，市場(chǎng)需求的波動(dòng)也促使三星調(diào)整策略，推遲部分工廠的設(shè)備采購(gòu)與建設(shè)訂單，將部分生產(chǎn)線從晶圓代工轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)器制造。

由于臺(tái)積電 2nm 工藝成本高、產(chǎn)能有限，報(bào)道稱，除了日本 AI 初創(chuàng)公司 Preferred Networks (PFN) 等現(xiàn)有客戶外，三星還吸引了國(guó)內(nèi)無(wú)晶圓廠公司的興趣。此外，三星正在與英偉達(dá)和高通等大型科技公司合作測(cè)試 2nm 工藝，這些公司正在多元化其代工合作伙伴，三星預(yù)計(jì)將于 2025 年第一季度開(kāi)始試產(chǎn) 2nm 工藝。這并不是臺(tái)積電和三星首次爭(zhēng)奪高通訂單，據(jù)悉三星自2020年起已失去高通部分驍龍旗艦芯片訂單，其5nm良率也引發(fā)擔(dān)憂。

高通計(jì)劃于 2025 年下半年發(fā)布的“驍龍 8 Elite 2”將采用臺(tái)積電的 N3P 工藝生產(chǎn)。三星曾參與競(jìng)標(biāo)，但最終落敗。業(yè)內(nèi)人士稱，這可能是三星代工業(yè)務(wù)的最后機(jī)會(huì)，目前該業(yè)務(wù)正面臨數(shù)十億美元的損失。

?03英特爾：緊隨其后

曾在芯片制造領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的英特爾，雖在先進(jìn)制程的追逐中一度掉隊(duì)，卻憑借變革決心，強(qiáng)勢(shì)重返 2nm 戰(zhàn)場(chǎng)。英特爾祭出 “四年內(nèi)五個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)劃”，志在重振芯片制造的昔日輝煌。

在 2nm 技術(shù)路線上，英特爾精心規(guī)劃，旗下的 intel 18A（對(duì)標(biāo)行業(yè) 2nm 水準(zhǔn)）制程節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)在 2025 年交付，率先應(yīng)用于核心產(chǎn)品至強(qiáng)處理器，為數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵領(lǐng)域注入強(qiáng)勁動(dòng)力。英特爾在技術(shù)創(chuàng)新方面有諸多舉措。其 RibbonFET 晶體管技術(shù)是對(duì) Gate All Around 晶體管的創(chuàng)新應(yīng)用。

傳統(tǒng)晶體管難以滿足高性能需求，RibbonFET 晶體管通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加快晶體管開(kāi)關(guān)速度，縮短信號(hào)傳輸延遲，還能在較小空間實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電流，兼顧芯片高性能與低功耗，為芯片性能提升開(kāi)辟新途徑。此外，英特爾推出的 PowerVia 是業(yè)界首個(gè)背面電能傳輸網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)芯片供電、信號(hào)線路交織，隨著集成度提高，信號(hào)干擾嚴(yán)重制約性能提升。PowerVia 技術(shù)把電源線置于晶圓背面，分離供電、信號(hào)線路，減少信號(hào)干擾，提升芯片性能，讓芯片在圖形渲染、加密解密運(yùn)算、多任務(wù)并行處理等工作中表現(xiàn)更佳。英特爾憑借自身在 CPU 領(lǐng)域的根基與全產(chǎn)業(yè)鏈整合優(yōu)勢(shì)，在 2nm 競(jìng)爭(zhēng)格局中逐步站穩(wěn)腳跟，向臺(tái)積電、三星等對(duì)手發(fā)起挑戰(zhàn)，試圖改變行業(yè)格局。

去年9月，英特爾前任首席執(zhí)行官帕特·基辛格已將亞馬遜的 AWS 作為該公司制造業(yè)務(wù)的客戶，其定制芯片工作將依賴于英特爾的 18A 工藝. 此外，據(jù)英特爾臨時(shí)聯(lián)席 CEO 米歇爾?約翰斯頓?霍爾索斯在去年12月介紹，英特爾已經(jīng)為一些客戶提供了 Panther Lake 的 E0 工程樣品，有 8 個(gè)客戶已開(kāi)機(jī)，硅晶圓質(zhì)量很好。在 1月6日的英特爾 CES 2025 演講中，霍爾索斯還宣布首款 Intel 18A 制程芯片 —— 英特爾 Panther Lake 處理器將于 今年下半年發(fā)布，英特爾會(huì)在今年及以后繼續(xù)增強(qiáng) AI PC 產(chǎn)品組合，向客戶提供領(lǐng)先的英特爾 18A 產(chǎn)品樣品。

?04Rapidus：奮起直追

在 2024 年 12 月從 ASML 獲得第一臺(tái) EUV 機(jī)器后，Rapidus計(jì)劃于今年4月啟用其在日本北海道千歲市興建的首座2nm以下邏輯芯片工廠“IIM-1”的試產(chǎn)產(chǎn)線，并在2027年開(kāi)始進(jìn)行量產(chǎn)。鑒于日本是唯一獲得 ASML 尖端硬件的國(guó)家之一，這被認(rèn)為是日本半導(dǎo)體行業(yè)的革命性發(fā)展。

去年11 月，日本政府宣布了一項(xiàng)為期七年的計(jì)劃，在第一階段撥款的約 82 億美元（1.3 萬(wàn)億日元）中，有一部分已撥給 Rapidus。截止去年年底，Rapidus 已獲得 4645 萬(wàn)美元（73 億日元）的私人投資和高達(dá) 58.55 億美元（9200 億日元）的政府援助。然而，預(yù)計(jì)還需要 254.52 億美元（4 萬(wàn)億日元）的額外資金才能在 2027 年啟動(dòng)量產(chǎn)。且近日有報(bào)道稱，Rapidus 將與博通合作，力爭(zhēng)量產(chǎn) 2 nm尖端芯片，計(jì)劃 6 月向博通提供試產(chǎn)芯片。消息稱博通正評(píng)估 Rapidus 的 2 nm芯片良率和性能，如果試產(chǎn)芯片符合其要求，將委托 Rapidus 生產(chǎn)相關(guān)高端芯片。

除了博通，Preferred Networks 也委托 Rapidus 代工 2 nm芯片，用于生成式 AI 處理；此外還有消息稱 Rapidus 正與 30 至 40 家企業(yè)洽談代工業(yè)務(wù)，目標(biāo)是承接定制化的少量多品種半導(dǎo)體訂單，與臺(tái)積電的大規(guī)模生產(chǎn)模式形成差異化競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng)下，每一家企業(yè)的動(dòng)向都牽動(dòng)著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的神經(jīng)。隨著技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，成本的優(yōu)化控制，客戶需求的深度挖掘，以及各國(guó)政策的扶持引導(dǎo)，2nm 工藝的發(fā)展遠(yuǎn)不止于當(dāng)下的競(jìng)爭(zhēng)局面。究竟誰(shuí)能在這場(chǎng)馬拉松式的競(jìng)賽中笑到最后？