臺(tái)積電在芯片制程上不斷向前發(fā)展，7nm、5nm工藝對臺(tái)積電而言，已經(jīng)成為小兒科，4nm芯片的產(chǎn)能也在不斷提升中。根據(jù)臺(tái)積電方面發(fā)布的消息可知，3nm芯片將會(huì)如期量產(chǎn)，預(yù)計(jì)上市時(shí)間為今年第四季度。2nm芯片上，臺(tái)積電也是順風(fēng)順?biāo)瑢?huì)在3月份正式對外公布全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構(gòu)，并采用新的材料。即便是在1nm芯片上，臺(tái)積電也在快速前進(jìn)，有消息稱，臺(tái)積電在1nm芯片上已經(jīng)取得了突破。為此，臺(tái)積電已經(jīng)明確表示，其在中科園區(qū)內(nèi)建設(shè)2nm芯片工廠，占地超100公頃，總投資約在2300億元，另外，1nm芯片工廠也將落戶在中科園區(qū)內(nèi)。

臺(tái)積電1nm芯片，這次輪到看我們了，都知道，臺(tái)積電已經(jīng)明確表示，其在2nm芯片將會(huì)采用全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構(gòu)并采用新的材料。而1nm芯片是比2nm芯片更先進(jìn)的工藝，在2nm芯片上可以采用二維材料，但在1nm芯片就不太可行了。因?yàn)榕_(tái)積電與麻省理工學(xué)院一直都在研1nm芯片，并且已經(jīng)取得了突破，但在芯片材料上，將會(huì)用到鉍電極的物質(zhì)。根據(jù)麻省理工發(fā)布的消息可知，二維材料做芯片可以提升性能，但二維材料存在的高電阻、低電流問題，成為學(xué)界的一大難點(diǎn)。

在先進(jìn)半導(dǎo)體工藝中，目前全球主要是臺(tái)積電、三星及Intel，量產(chǎn)工藝已經(jīng)到7nm、5nm及4nm節(jié)點(diǎn)，明年就要進(jìn)入3nm節(jié)點(diǎn)了，而原先掌握了先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的日本不甘心，計(jì)劃聯(lián)合美國，在2025年量產(chǎn)2nm芯片。

前不久美國政府高官訪問日本時(shí)談?wù)摿穗p方在半導(dǎo)體上的合作，其中就有2nm工藝的研發(fā)，現(xiàn)在據(jù)日本媒體報(bào)道，日本也制定了具體計(jì)劃，計(jì)劃在2025年量產(chǎn)2nm芯片。

不過這個(gè)2nm的量產(chǎn)計(jì)劃并沒有更詳細(xì)的信息，哪家公司負(fù)責(zé)建廠、量產(chǎn)2nm芯片還是個(gè)迷，三星、臺(tái)積電及Intel都沒有提到過在日本量產(chǎn)2nm工藝的計(jì)劃。

當(dāng)然，日本聯(lián)合美國研發(fā)2nm工藝的目標(biāo)本身也是減少對臺(tái)積電的依賴，所以臺(tái)積電的可能性也可以排除。

對于美日合作2nm一事，臺(tái)積電CEO之前也做過回應(yīng)，表示并不擔(dān)心。

臺(tái)積電稱，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特性是不管花多少錢、用多少人，都無法模仿的，要經(jīng)年累月去累積，臺(tái)積電20年前技術(shù)距最先進(jìn)的技術(shù)約2世代，花了20年才超越，這是堅(jiān)持自主研發(fā)的結(jié)果。

臺(tái)積電不會(huì)掉以輕心，研發(fā)支出會(huì)持續(xù)增加，臺(tái)積電3nm制程將會(huì)是相當(dāng)領(lǐng)先，2nm正在發(fā)展中，尋找解決方案。

1nm芯片要來了

12月29日快科技消息，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，臺(tái)中建廠的計(jì)劃為未來的1nm工藝預(yù)留了可能。

如果一切順利的話，臺(tái)積電將會(huì)在臺(tái)中建設(shè)1nm晶圓廠。

由此可見，臺(tái)積電將眼光放在了2nm之后更高精度的芯片制造工藝上，在臺(tái)中的建廠耗資最多達(dá)到2300億人民幣。

按照2021年年初該公司宣布的計(jì)劃，三年內(nèi)臺(tái)積電將支出1000億美元用于半導(dǎo)體產(chǎn)能擴(kuò)張。

雖然臺(tái)積電需要為緩解全球芯片市場供應(yīng)緊張狀況而擴(kuò)充成熟工藝產(chǎn)能，但該公司仍然會(huì)將先進(jìn)工藝的發(fā)展視為重點(diǎn)。

臺(tái)積電加速發(fā)展先進(jìn)工藝

在芯片如此緊張的情況下，國際芯片代工大廠臺(tái)積電就為了緩解芯片供需問題決定擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。作為全球最大的芯片代工廠，臺(tái)積電可以說是各地爭相合作的香餑餑，如老美為了重振當(dāng)?shù)氐陌雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)，就曾邀請臺(tái)積電赴美建廠。

為了吸引半導(dǎo)體廠商赴美建廠的積極性，老美還推出了520億美元的補(bǔ)貼法案，用于減輕這些廠商的成本壓力。在老美的花言巧語下，臺(tái)積電終是被繞進(jìn)去了，決定在美地區(qū)的亞利桑那州鳳凰城建立一座月產(chǎn)能20000片晶圓的5nm制程先進(jìn)迷你廠。

預(yù)計(jì)總投資金額將高達(dá)8000億至1萬億新臺(tái)幣(約1840-2300億元)，占地近100萬平方米。

據(jù)聯(lián)合新聞網(wǎng)報(bào)道，位于中部科學(xué)園區(qū)(中科)的新工廠將占用周邊的一個(gè)高爾夫球場以及部分公有土地。

這也是繼竹科寶山之后，臺(tái)積電規(guī)劃的第二個(gè)2nm晶圓廠。

業(yè)界指出，相較于后續(xù)用地問題仍待解決的臺(tái)積電竹科寶山2nm工廠，臺(tái)中高爾夫球場土地所有權(quán)單純，一旦與興農(nóng)集團(tuán)完成協(xié)商，很有可能超過竹科寶山建廠進(jìn)度。

根據(jù)臺(tái)積電初步規(guī)劃，工廠預(yù)計(jì)在明年獲得用地許可并展開環(huán)境影響評估，最快于2023年動(dòng)工，預(yù)計(jì)可創(chuàng)造約8000個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。

這兩年由于對芯片需求的劇增，臺(tái)積電產(chǎn)能擴(kuò)充與開發(fā)較往年可說是「五倍速」前進(jìn)。為了確保產(chǎn)能的提升，相關(guān)的支出也大舉拉高，尤其是在先進(jìn)制程方面。

目前臺(tái)積電在中科的制程涵蓋28nm及7nm，由于2nm及1nm制程的設(shè)備可以共用，未來將由1.8nm、1.4nm，逐步向1nm推進(jìn)。

業(yè)界推測，臺(tái)積電2nm最快可以在2024年試產(chǎn)，于2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，之后再進(jìn)入1nm，以及后續(xù)的「埃米」制程。

在工藝下降到5nm之前，F(xiàn)inFET(鰭式場效應(yīng)晶體管)一直是很好的。

當(dāng)達(dá)到原子水平 (3nm是25個(gè)硅原子排成一行) 時(shí) ，F(xiàn)inFET開始出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，可能不再適用于更進(jìn)一步的工藝水平。

在2nm工藝上，臺(tái)積電并沒有直接使用三星規(guī)劃在3nm工藝上使用的GAAFET (環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管)，也就是納米線(nanowire)，而是將其拓展成為MBCFET(多橋通道場效應(yīng)晶體管)，也就是納米片(nanosheet)。

GAAFET是一個(gè)周圍都是門的場效應(yīng)管。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，全面柵極場效應(yīng)管可以有兩個(gè)或四個(gè)有效柵極。

通過在柵極上施加電壓，你可以控制源極和漏極之間的電流，將其從0切換到1，并創(chuàng)建一個(gè)處理器的二進(jìn)制邏輯。

從GAAFET到MBCFET，從nm線到nm片，可以視為從二維到三維的躍進(jìn)，能夠大大改進(jìn)電路控制，降低漏電率。

2nm采用以環(huán)繞閘極(GAA)制程為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)，可以解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。

今年5月，麻省理工學(xué)院(MIT)的孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的國際聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)探索了一個(gè)新的方向：使用原子級(jí)薄材料鉍(Bi)代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。

這項(xiàng)研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發(fā)表在Nature期刊上。

自2019年起，MIT、臺(tái)大和臺(tái)積電就展開了漫長的跨國合作。

MIT團(tuán)隊(duì)最先發(fā)現(xiàn)，在「二維材料」上搭配「半金屬鉍(Bi)」的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

之后，臺(tái)積電技術(shù)研究部門則將「鉍(Bi)沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化。

最后，臺(tái)大團(tuán)隊(duì)運(yùn)用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至nm尺寸，終于獲得突破性的研究成果。

這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻并且提升電流，從而使其能效和硅一樣，實(shí)現(xiàn)未來半導(dǎo)體1nm工藝的新制程。

未來，「原子級(jí)」薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品。

今天，據(jù)日經(jīng)亞洲報(bào)道，日本將和美國合作，最早于2025年在日本啟動(dòng)2nm制程國內(nèi)制造基地。日經(jīng)亞洲稱，2nm制程的芯片可以用于量子計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心和智能手機(jī)等產(chǎn)品，甚至可以決定軍事裝備的性能，與國家安全直接相關(guān)。

盡管日本和美國計(jì)劃合作攻關(guān)2nm芯片，但具備量產(chǎn)5nm以及下制程實(shí)力，且明確提出了2nm路線圖的晶圓代工廠僅有中國臺(tái)灣晶圓代工龍頭臺(tái)積電和韓國芯片巨頭三星電子。這兩家芯片制造巨頭的2nm制程研究均已進(jìn)入開發(fā)階段，并提出了明確的量產(chǎn)時(shí)間。

臺(tái)積電預(yù)計(jì)將在2024年年底和2025年進(jìn)行2nm制程的風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，量產(chǎn)則可能會(huì)到2025年下半年或年底。三星電子則同樣計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)2nm的量產(chǎn)。

最近，臺(tái)積電和三星電子更是在2nm制程方面動(dòng)作頻頻。上周五，據(jù)臺(tái)媒報(bào)道，臺(tái)積電2nm建廠計(jì)劃相關(guān)環(huán)保評審文件已送審，爭取明年上半年通過，一期項(xiàng)目預(yù)計(jì)2024年底前投產(chǎn)，投資金額高達(dá)1萬億新臺(tái)幣(約合2268億人民幣)。而三星電子的實(shí)際負(fù)責(zé)人李在镕也訪問荷蘭光刻機(jī)龍頭ASML，據(jù)悉目標(biāo)為下一代EUV光刻機(jī)，以在2nm等先進(jìn)制程上取得優(yōu)勢。

本文將從資本支出、技術(shù)、客戶爭奪和制程節(jié)點(diǎn)等方面，呈現(xiàn)臺(tái)積電和三星電子的全方位競爭，解析這場2nm芯片戰(zhàn)爭。

一、2021年競爭白熱化，臺(tái)積電、三星砸錢跑贏行業(yè)

當(dāng)前，全球具備5nm及以下制程芯片制造實(shí)力的晶圓代工廠只有臺(tái)積電和三星電子兩家。兩家正展開一場以百億美元為單位、以納米乃至原子厚度為目標(biāo)的先進(jìn)制程競賽。

這種競賽中，臺(tái)積電和三星電子都投入了大量的資金，以在技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)能擴(kuò)充上占得先機(jī)。

2021年，臺(tái)積電資本支出達(dá)300億美元，今年臺(tái)積電則預(yù)計(jì)資本支出將達(dá)到400-440億美元(約合2687億-2956億人民幣)。在2022年的投資中，臺(tái)積電預(yù)計(jì)70%都將用于先進(jìn)制程，10-20%用于特色工藝，10%用于先進(jìn)封裝。