雖然摩爾定律逐漸步入下半場，但各國和地區對先進工藝還在不斷的追逐。包括中國台灣、歐洲和日美韓在內的多個國家和地區都在競相發力2nm技術。建立全球無摩擦半導體生態系統花費了數十年的時間，如今為何各國都在爭相投入大筆資金來發展本國自主可控的先進技術，因為半導體變得越來越重要了。2納米晶片不僅可用於量子計算、數據中心和智慧型手機等產品中，還可以決定軍事硬體的性能，包括戰鬥機和飛彈。因此，晶片不僅是經濟的支柱，而且還支持國家的自治，安全和主權。而中國大陸卻因為一些眾所周知的原因，暫時與先進工藝技術無緣。
中國台灣：台積電2025年量產2nm
最先進的節點92%來自中國台灣台積電，台積電在開發2納米晶片的量產技術方面處於領先地位。2019年，台積電便宣布啟動2nm工藝的研發，使其成為第一家宣布開始研發2nm工藝的公司。
台積電的第一家2nm工廠位於台灣北部新竹縣寶山附近的工廠。就在今年6月 5日台積電宣布將投資1兆元擴大2nm工藝晶片的產量。配合台積電2納米建廠計劃，中科台中園區擴建二期開發計劃如火如荼展開。台積電供應鏈透露，台積電在中科除了規劃2納米廠，後續的1納米廠也可能落腳此處。
關於2nm的技術進展，據外媒eetimes報道，台積電早前與少數幾家媒體分享了其工藝路線圖，正在評估CFET等工藝技術，以將其當作納米片的「接班人」。按照他們所說，台積電將在2025年推出使用納米片電晶體的2nm工藝。據台積電業務發展副總裁 Kevin Zhang介紹，CFET是一個選擇，且目前還處於研發階段，所以他也不能提供其任何時間表。Kevin Zhang同時指出，3 nm 將是一個長節點。在該節點上將有大量需求。而那些對計算能效有更高要求的客戶可以率先轉向2nm。
目前，台積電的2nm開發已經走上正軌，魏哲家表示，台積電2納米技術去年已經進入技術開發階段，著重於測試載具的設計與實作、光罩製作、以及矽試產。總的來說，台積電採用新工藝技術的速度越來越慢。傳統上，台積電每兩年使用一個全新節點開始生產。台積電的 N7於 2018 年 4 月開始爬坡，N5 於 2020 年 4 月進入 HVM，但 N3 僅在 2022 年下半年用於商業生產。對於N2，我們顯然看到了更長的節奏，這也說明了工藝節點越來越難研發和攻克。
毫無疑問，從現在開始展望未來五年，半導體業務將會很艱難，因為隨著摩爾定律的推進，縮小電晶體尺寸將變得越來越困難，並且預期的電晶體成本比例下降趨於平緩。
美國：IBM和英特爾推動2nm發展
2021年，IBM完成了2納米技術的突破。據預計，IBM 2nm工藝或能在每平方毫米晶片上集成3.33億個電晶體。相比7nm工藝提升了45%的性能或者減少75%的功耗，預計2024年量產。
在這個晶片上，IBM用上了一個被稱為納米片堆疊的電晶體，它將NMOS電晶體堆疊在PMOS電晶體的頂部，而不是讓它們並排放置以獲取電壓信號並將位從1翻轉為零或從0翻轉為1。這些電晶體被稱為gate all around或GAA電晶體。
據半導體行業觀察讀者肖德元對其的解讀，「也就是說IBM已經開始考慮將CFET應用到它的2nm Power 系列產品了。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。這樣做的主要優點是節省面積從而帶來一些功率和性能上的好處，適用於2nm以後技術節點。」
據《中央社》報導，台灣地區工研院產科國際所研究總監楊瑞臨指出，IBM發表2nm製程對於半導體產業是一件大事，象徵著GAA架構的可行性，讓台積電、三星朝著2nm製程研發加速，雖然這可能使得台積電的競爭壓力增加，但台積電有著眾多客戶，可以有效縮短學習曲線、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行 2 納米工藝的研發。據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，新節點將帶來 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，英特爾可望比預訂時程提前達成一項重要的科技里程碑，重拾技術領先優勢，會在2024年底重奪晶圓代工製程寶座，比先前的目標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，三星介紹了其基於GAA 電晶體結構的 3nm 和 2nm 工藝節點的路線圖。據該公司稱，基於 3nm 的晶片設計計劃於 2022 年上半年開始生產，而基於 2nm 的晶片將在 2025 年量產。
不過具體的工藝指標還沒公布，只知道還是GAA電晶體，跟3nm一樣基於MBCFET（多橋溝道FET）技術，這是一種納米片電晶體，可以垂直堆疊，而且兼容現在的CMOS工藝，共享設備與製造方法，降低了新技術的升級成本。
日本拉來美國合作2nm
據日經報道，日本將與美國合作，最早在2025財年啟動國內2納米半導體製造基地，加入下一代晶片技術商業化的競賽。兩國企業將依據雙邊晶片技術合作夥伴關係，進行半導體設計和量產研究，潛在合作模式包含共同創立新公司，或由日本企業設立新的生產基地，日本經濟產業省將補助部分研發成本和資本支出。
今年5月初，日美簽署了半導體合作基本原則。雙方將在即將舉行的「二加二」內閣經濟官員會議上討論合作框架的細節。其中日本的國立先進工業科學技術研究所運營的筑波市研究實驗室正在開發先進半導體生產線的製造技術，包括2納米工藝的生產技術。東京電子和佳能等晶片製造設備製造商與IBM、英特爾和台積電等也參加了這個會議。
早先日本已經吸引了台積電赴日本建立晶圓廠，但該工廠將只生產從10nm到20nm 範圍的不太先進的半導體。此次啟動與美國的合作，也代表了日本向2nm先進工藝進擊的決心。
雖然日本沒有先進的晶圓廠，但他們在先進工藝的上游有很重要的布局。日本在半導體製造的多個環節都參與其中。日本擁有信越化學和Sumco等強大的晶片材料製造商，有佳能這樣的EUV光刻機廠商，並且全球僅有日本廠商研發出了EUV光刻膠。還有占據100%市場份額的東京電子的EUV塗覆顯影設備。在半導體缺陷檢測設備領域，日本的Lasertec Corp.是全球唯一的測試機製造商，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晶片A64FX的超強性能表現加上索喜5nm晶片的新聞表示，日本在先進晶片上也有其實力所在。
圖源：日經中文網
在這些企業的配合下，相信日本復興半導體先進晶片技術乃至建造先進工藝晶圓廠，都有潛在的可能。日本政府半導體小組的高級顧問東哲郎此前認為，日本的半導體產業已低迷數十年，增加對半導體產業的補助，在日本政界內已形成共識，他建議，在未來的10年內，日本政府及私營部門應投資半導體產業10兆日圓。
歐洲的2nm雄心
在全球4400億歐元的半導體市場中，歐洲僅占10%，這遠低於其經濟地位。20年來，歐洲沒有一家領先的晶圓廠投入先進工藝運營，歐洲越來越依賴於世界其他地區生產的晶片。其實早在80年代中期，歐盟就支持飛利浦和西門子（現為英飛凌）為超越工藝節點以消除其競爭劣勢而做出新嘗試。但嘗試並未獲得成功，也因此歐洲開始專注於外包半導體生產。
受貿易摩擦及缺芯等的多重因素影響，歐盟也推出了晶片自主可控的方案。歐盟委員會在一項名為《2030數字指南針》計劃中，提出生產能力衝刺2nm的目標。2020年12月，歐盟17個成員國簽署了一項聯合聲明，承諾共同開發下一代值得信賴的低功耗嵌入式處理器和先進的工藝技術。該項目在ECSEL的2019年年度活動報告中揭露，他們對研發2nm技術的預算約是1.1億美元，歐盟將出約2500萬美元，剩下的呼籲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製程節點的目標。該項目由ASML牽頭，將獲得歐盟納稅人300萬歐元（約合360萬美元）的支持，儘管IMEC 研究機構將是最大的受益者。
歐洲雖然沒有大型的晶圓代工廠，但卻是尖端晶片製造商和和設備供應商的所在地，每家的年銷售額從4美元到160億美元不等，其中包括意法半導體、英飛凌、恩智浦和艾邁斯半導體以及格羅方德及其德國工廠、英特爾和ASML。與此同時，一些規模較小但實力雄厚的行業參與者在歐洲並存，包括半導體代工廠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、系統製造商的子公司和半導體設備製造商，遍布歐洲，他們的年收入均不到5億美元，但仍保持著歐洲的製造和技術獨立性。
而歐盟也有意將製造能力置於2nm。但Yole行業分析師此前曾表示，在沒有台積電或三星支持的情況下，建造這樣一個最先進的設施至少需要10到15 年，並且需要數百億美元的投資。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。考慮到2nm節點最遲將在2024年開始量產，預估應該在今年晚些時候開始建設。
寫在最後
綜合來說，2nm的實現可能性很大。在2nm技術上的突破三大晶圓廠肯定是勝算較大，但是先進位程是需要經驗積累的，所以台積電劉德音在最近的股東大會上才放話，對於日美合作2納米，三星以及英特爾在2納米技術上的發展，台積電並不會特別擔心。按照過往的經驗，台積電在良率上一直相當不錯。至於歐洲在2nm技術上突破應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位程的競賽。
來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創
作者：杜芹