雖然摩爾定律逐漸步入下半場，但各國和地區(qū)對先進(jìn)工藝還在不斷的追逐。包括中國臺灣、歐洲和日美韓在內(nèi)的多個國家和地區(qū)都在競相發(fā)力2nm技術(shù)。建立全球無摩擦半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)花費(fèi)了數(shù)十年的時間，如今為何各國都在爭相投入大筆資金來發(fā)展本國自主可控的先進(jìn)技術(shù)，因?yàn)榘雽?dǎo)體變得越來越重要了。2納米芯片不僅可用于量子計算、數(shù)據(jù)中心和智能手機(jī)等產(chǎn)品中，還可以決定軍事硬件的性能，包括戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈。因此，芯片不僅是經(jīng)濟(jì)的支柱，而且還支持國家的自治，安全和主權(quán)。而中國大陸卻因?yàn)橐恍┍娝苤脑?，暫時與先進(jìn)工藝技術(shù)無緣。

　　中國臺灣：臺積電2025年量產(chǎn)2nm　

　　最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)92%來自中國臺灣臺積電，臺積電在開發(fā)2納米芯片的量產(chǎn)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。2019年，臺積電便宣布啟動2nm工藝的研發(fā)，使其成為第一家宣布開始研發(fā)2nm工藝的公司。

　　臺積電的第一家2nm工廠位于臺灣北部新竹縣寶山附近的工廠。就在今年6月 5日臺積電宣布將投資1兆元擴(kuò)大2nm工藝芯片的產(chǎn)量。配合臺積電2納米建廠計劃，中科臺中園區(qū)擴(kuò)建二期開發(fā)計劃如火如荼展開。臺積電供應(yīng)鏈透露，臺積電在中科除了規(guī)劃2納米廠，后續(xù)的1納米廠也可能落腳此處。

　　關(guān)于2nm的技術(shù)進(jìn)展，據(jù)外媒eetimes報道，臺積電早前與少數(shù)幾家媒體分享了其工藝路線圖，正在評估CFET等工藝技術(shù)，以將其當(dāng)作納米片的“接班人”。按照他們所說，臺積電將在2025年推出使用納米片晶體管的2nm工藝。據(jù)臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang介紹，CFET是一個選擇，且目前還處于研發(fā)階段，所以他也不能提供其任何時間表。Kevin Zhang同時指出，3 nm 將是一個長節(jié)點(diǎn)。在該節(jié)點(diǎn)上將有大量需求。而那些對計算能效有更高要求的客戶可以率先轉(zhuǎn)向2nm。

　　目前，臺積電的2nm開發(fā)已經(jīng)走上正軌，魏哲家表示，臺積電2納米技術(shù)去年已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)開發(fā)階段，著重于測試載具的設(shè)計與實(shí)作、光罩制作、以及硅試產(chǎn)?？偟膩碚f，臺積電采用新工藝技術(shù)的速度越來越慢。傳統(tǒng)上，臺積電每兩年使用一個全新節(jié)點(diǎn)開始生產(chǎn)。臺積電的 N7于 2018 年 4 月開始爬坡，N5 于 2020 年 4 月進(jìn)入 HVM，但 N3 僅在 2022 年下半年用于商業(yè)生產(chǎn)。對于N2，我們顯然看到了更長的節(jié)奏，這也說明了工藝節(jié)點(diǎn)越來越難研發(fā)和攻克。

　　毫無疑問，從現(xiàn)在開始展望未來五年，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)將會很艱難，因?yàn)殡S著摩爾定律的推進(jìn)，縮小晶體管尺寸將變得越來越困難，并且預(yù)期的晶體管成本比例下降趨于平緩。

　　美國：IBM和英特爾推動2nm發(fā)展

　　2021年，IBM完成了2納米技術(shù)的突破。據(jù)預(yù)計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米芯片上集成3.33億個晶體管。相比7nm工藝提升了45%的性能或者減少75%的功耗，預(yù)計2024年量產(chǎn)。

　　在這個芯片上，IBM用上了一個被稱為納米片堆疊的晶體管，它將NMOS晶體管堆疊在PMOS晶體管的頂部，而不是讓它們并排放置以獲取電壓信號并將位從1翻轉(zhuǎn)為零或從0翻轉(zhuǎn)為1。這些晶體管被稱為gate all around或GAA晶體管。

　　據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)觀察讀者肖德元對其的解讀，“也就是說IBM已經(jīng)開始考慮將CFET應(yīng)用到它的2nm Power 系列產(chǎn)品了。CFETs是Complementary FETs的縮寫。在CFETs中, 彼此之間堆疊nFET和pFET納米線或納米薄片。CFET可以將一個nFET堆疊在pFET上，或者在兩個pFETs的頂部堆疊兩個nFETs。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省面積從而帶來一些功率和性能上的好處，適用于2nm以后技術(shù)節(jié)點(diǎn)?！?/p>

　　據(jù)《中央社》報導(dǎo)，臺灣地區(qū)工研院產(chǎn)科國際所研究總監(jiān)楊瑞臨指出，IBM發(fā)表2nm制程對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一件大事，象征著GAA架構(gòu)的可行性，讓臺積電、三星朝著2nm制程研發(fā)加速，雖然這可能使得臺積電的競爭壓力增加，但臺積電有著眾多客戶，可以有效縮短學(xué)習(xí)曲線、良率提升以及降低成本。

　　同為美國公司的英特爾公司也在進(jìn)行 2 納米工藝的研發(fā)。據(jù)英特爾的最新路線圖，2024 年上半年英特爾的Intel 20A（20 埃 = 2nm）工藝將亮相，新節(jié)點(diǎn)將帶來 15% 的性能提升。這將是英特爾的第一個 HNS（他們稱之為 RibbonFET），他們還將引入背面供電（他們稱之為 PowerVia）。背面供電解決了 IR 功率下降問題，同時使前端互連更容易。他們估計，這個工藝的密度較之上一代提高了 1.6 倍。

　　而英特爾公司CEO基辛格也表示，英特爾可望比預(yù)訂時程提前達(dá)成一項(xiàng)重要的科技里程碑，重拾技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，會在2024年底重奪晶圓代工制程寶座，比先前的目標(biāo)2025年提早。

　　韓國以三星為首

　　在 2021 年第五屆年度晶圓代工論壇 (SFF) 上，三星介紹了其基于GAA 晶體管結(jié)構(gòu)的 3nm 和 2nm 工藝節(jié)點(diǎn)的路線圖。據(jù)該公司稱，基于 3nm 的芯片設(shè)計計劃于 2022 年上半年開始生產(chǎn)，而基于 2nm 的芯片將在 2025 年量產(chǎn)。

　　不過具體的工藝指標(biāo)還沒公布，只知道還是GAA晶體管，跟3nm一樣基于MBCFET（多橋溝道FET）技術(shù)，這是一種納米片晶體管，可以垂直堆疊，而且兼容現(xiàn)在的CMOS工藝，共享設(shè)備與制造方法，降低了新技術(shù)的升級成本。

　　日本拉來美國合作2nm

　　據(jù)日經(jīng)報道，日本將與美國合作，最早在2025財年啟動國內(nèi)2納米半導(dǎo)體制造基地，加入下一代芯片技術(shù)商業(yè)化的競賽。兩國企業(yè)將依據(jù)雙邊芯片技術(shù)合作伙伴關(guān)系，進(jìn)行半導(dǎo)體設(shè)計和量產(chǎn)研究，潛在合作模式包含共同創(chuàng)立新公司，或由日本企業(yè)設(shè)立新的生產(chǎn)基地，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省將補(bǔ)助部分研發(fā)成本和資本支出。

　　今年5月初，日美簽署了半導(dǎo)體合作基本原則。雙方將在即將舉行的“二加二”內(nèi)閣經(jīng)濟(jì)官員會議上討論合作框架的細(xì)節(jié)。其中日本的國立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所運(yùn)營的筑波市研究實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)線的制造技術(shù)，包括2納米工藝的生產(chǎn)技術(shù)。東京電子和佳能等芯片制造設(shè)備制造商與IBM、英特爾和臺積電等也參加了這個會議。

　　早先日本已經(jīng)吸引了臺積電赴日本建立晶圓廠，但該工廠將只生產(chǎn)從10nm到20nm 范圍的不太先進(jìn)的半導(dǎo)體。此次啟動與美國的合作，也代表了日本向2nm先進(jìn)工藝進(jìn)擊的決心。

　　雖然日本沒有先進(jìn)的晶圓廠，但他們在先進(jìn)工藝的上游有很重要的布局。日本在半導(dǎo)體制造的多個環(huán)節(jié)都參與其中。日本擁有信越化學(xué)和Sumco等強(qiáng)大的芯片材料制造商，有佳能這樣的EUV光刻機(jī)廠商，并且全球僅有日本廠商研發(fā)出了EUV光刻膠。還有占據(jù)100%市場份額的東京電子的EUV涂覆顯影設(shè)備。在半導(dǎo)體缺陷檢測設(shè)備領(lǐng)域，日本的Lasertec Corp.是全球唯一的測試機(jī)制造商，該公司持有全球市場100%的份額。日本富岳“超算”上的富士通的48核Arm芯片A64FX的超強(qiáng)性能表現(xiàn)加上索喜5nm芯片的新聞表示，日本在先進(jìn)芯片上也有其實(shí)力所在。

　　圖源：日經(jīng)中文網(wǎng)

　　在這些企業(yè)的配合下，相信日本復(fù)興半導(dǎo)體先進(jìn)芯片技術(shù)乃至建造先進(jìn)工藝晶圓廠，都有潛在的可能。日本政府半導(dǎo)體小組的高級顧問東哲郎此前認(rèn)為，日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已低迷數(shù)十年，增加對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)助，在日本政界內(nèi)已形成共識，他建議，在未來的10年內(nèi)，日本政府及私營部門應(yīng)投資半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)10兆日圓。

　　歐洲的2nm雄心

　　在全球4400億歐元的半導(dǎo)體市場中，歐洲僅占10%，這遠(yuǎn)低于其經(jīng)濟(jì)地位。20年來，歐洲沒有一家領(lǐng)先的晶圓廠投入先進(jìn)工藝運(yùn)營，歐洲越來越依賴于世界其他地區(qū)生產(chǎn)的芯片。其實(shí)早在80年代中期，歐盟就支持飛利浦和西門子（現(xiàn)為英飛凌）為超越工藝節(jié)點(diǎn)以消除其競爭劣勢而做出新嘗試。但嘗試并未獲得成功，也因此歐洲開始專注于外包半導(dǎo)體生產(chǎn)。

　　受貿(mào)易摩擦及缺芯等的多重因素影響，歐盟也推出了芯片自主可控的方案。歐盟委員會在一項(xiàng)名為《2030數(shù)字指南針》計劃中，提出生產(chǎn)能力沖刺2nm的目標(biāo)。2020年12月，歐盟17個成員國簽署了一項(xiàng)聯(lián)合聲明，承諾共同開發(fā)下一代值得信賴的低功耗嵌入式處理器和先進(jìn)的工藝技術(shù)。該項(xiàng)目在ECSEL的2019年年度活動報告中揭露，他們對研發(fā)2nm技術(shù)的預(yù)算約是1.1億美元，歐盟將出約2500萬美元，剩下的呼吁各國政府提供額外的資金。聲明文件特別提到了在2025年使用2nm制程節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)。該項(xiàng)目由ASML牽頭，將獲得歐盟納稅人300萬歐元（約合360萬美元）的支持，盡管IMEC 研究機(jī)構(gòu)將是最大的受益者。

　　歐洲雖然沒有大型的晶圓代工廠，但卻是尖端芯片制造商和和設(shè)備供應(yīng)商的所在地，每家的年銷售額從4美元到160億美元不等，其中包括意法半導(dǎo)體、英飛凌、恩智浦和艾邁斯半導(dǎo)體以及格羅方德及其德國工廠、英特爾和ASML。與此同時，一些規(guī)模較小但實(shí)力雄厚的行業(yè)參與者在歐洲并存，包括半導(dǎo)體代工廠Tower Semiconductor和 X-Fab，每年的銷售額在5億至10億美元之間。此外還有至少200家公司，如Elmos、Murata Europe、Besi、EVG、Soitec 和 Siltronic，包括IDM、系統(tǒng)制造商的子公司和半導(dǎo)體設(shè)備制造商，遍布?xì)W洲，他們的年收入均不到5億美元，但仍保持著歐洲的制造和技術(shù)獨(dú)立性。

　　而歐盟也有意將制造能力置于2nm。但Yole行業(yè)分析師此前曾表示，在沒有臺積電或三星支持的情況下，建造這樣一個最先進(jìn)的設(shè)施至少需要10到15 年，并且需要數(shù)百億美元的投資。而就在今年2月份，英特爾宣布計劃投資800億歐元在歐洲（可能是德國）建立 2nm、1.8nm 工廠?？紤]到2nm節(jié)點(diǎn)最遲將在2024年開始量產(chǎn)，預(yù)估應(yīng)該在今年晚些時候開始建設(shè)。

　　寫在最后

　　綜合來說，2nm的實(shí)現(xiàn)可能性很大。在2nm技術(shù)上的突破三大晶圓廠肯定是勝算較大，但是先進(jìn)制程是需要經(jīng)驗(yàn)積累的，所以臺積電劉德音在最近的股東大會上才放話，對于日美合作2納米，三星以及英特爾在2納米技術(shù)上的發(fā)展，臺積電并不會特別擔(dān)心。按照過往的經(jīng)驗(yàn)，臺積電在良率上一直相當(dāng)不錯。至于歐洲在2nm技術(shù)上突破應(yīng)該也還有很長的一段路要走。不過很遺憾的是，中國大陸暫時無法加入這場先進(jìn)制程的競賽。