芯片巨頭開戰2納米

芯片巨頭開戰2納米

今年1月,荷蘭ASML生產的第一臺High-NA EUV光刻機首次開箱面世。這臺總重約150噸、需250個集裝箱才能裝下的龐然巨物,可將世界上最先進的芯片製程從3納米進一步縮小至2納米。它的出現也打響了半導體廠商量產2納米芯片的第一槍。

作爲全球排名第一的晶圓代工廠,臺積電是跑得最快的選手。

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據臺灣《工商時報》3月29日報道,臺積電2納米制程佈局全線提速,公司位於新竹寶山Fab20 P1廠將於4月進行設備安裝工程,爲其2納米芯片量產熱身準備,預計臺積電寶山P1、P2及高雄三座先進製程晶圓廠均於2025年量產,吸引蘋果、英偉達、AMD及高通等客戶爭搶產能。

雖然臺積電回覆媒體稱不發表評論,但按照公司2022年7月在投資者會議上公佈的路線圖,2納米制程將在2024年試產,2025年量產。臺積電正按規劃時間表如期於今年開啓2納米芯片的生產。

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除臺積電外,2納米賽道上也出現了三星、英特爾追趕的身影。

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作爲與臺積電在5納米、3納米纏鬥多年的老對手,三星在2納米的競爭上也步步緊逼。根據韓國媒體ZDNet報道,三星已通知客戶和合作夥伴,將從今年年初開始將其第二代3納米制程更名爲2納米制程。雖然公司始終未迴應外界對其“靠改名領先對手”的質疑,但日前已官宣2納米或將在今年底前開始量產。

而英特爾則是重返賽場的“新對手”。早年靠製造芯片創業,但後來被臺積電與三星甩在身後,又在10納米、7納米制程上接連折戟後,英特爾在芯片製造領域明顯掉隊,先進製程芯片幾乎全部外包給臺積電代工。

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但自從現任CEO帕特·基辛格上臺後,公司便在其領導之下計劃重振製造芯片的晶圓代工業務。在2月份舉辦的首屆Intel Foundry Direct Connect大會上,英特爾公佈了旗下intel 18A(按照英特爾官方定義爲1.8納米、但業內通常將其與對手的2納米進行橫向對比)、及更先進的未來製程路線圖,且intel 18A規劃的量產時間與兩大對手相近,2024年下半年準備就緒量產,2025年會推出基於18A的產品。

距離臺積電、三星在2022年推出3納米制程芯片剛滿一年,2納米的競爭就已經被提上日程。面對臺積電全球第一大芯片代工廠的領先地位,三星、英特爾都不約而同地將2納米看作彎道超車的機會——前者喊話要在三年之內重奪芯片市場第一,後者誓言要在2030年建成全球第二大代工廠。

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按照半導體行業經典的摩爾定律,集成電路可容納的晶體管數目,每隔18個月便會增加一倍,性能相應也增加一倍。大衆所知的幾納米通常指代晶體管的尺寸,爲在集成電路上儘可能容納更多的晶體管,從10納米到7納米,再到5納米、3納米,晶體管尺寸越做越小,芯片也相應越來越小。

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2納米最早出現在2021年。IBM當時發佈了全球首顆2納米制程的芯片。根據官方資料介紹,IBM的這顆2納米制程芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上,與7納米制程的芯片相比,其運算速度將快45%,效率則將提高75%。但業內普遍認爲IBM作爲研究機構,尚不具備量產的能力,2納米制程芯片從實驗室到量產,還需要一段時間。

在芯片製程尺寸不斷縮小的過程中,芯片廠商需要解決的問題更多,例如漏電。在臺積電爲2納米芯片設計的技術方案中,首次用上了GAAFET架構。GAAFET架構全稱全包圍柵場效應晶體管,與突破14納米制程以下沿用的FinFET架構不同,GAAFET利用柵電極覆蓋電流通道的四個側面,而非傳統的三個,能夠讓晶體管繼續縮小下去而不漏電,從而允許在降低運行功率的情況下顯着提高性能。

類似具有里程碑意義的方案還包括晶圓背面供電。較於傳統正面供電,這項技術能夠降低電壓降,從而減少功耗,顯著提升芯片性能的表現。

此前,三星已經在其3納米制程上採用了上述兩項技術方案,英特爾也在持續跟進。多位產業人士表示,從2納米開始,GAAFET與背部供電將會成爲行業標配。

長期關注半導體制程工藝的全德學投資總監方亮向界面新聞介紹,每一代製程在內部大致分研發與量產兩個階段。芯片廠首先在實驗室不計代價地投入製造出少量的晶圓,緊接着掌握技術、提升良率至30%-40%;然後量產部門就會接手,依次進行風險試產、小規模量產,再到大規模量產,不斷推高良率並提升產能。等到芯片良率達到60%-70%左右,就可以基本保證“商業化階段湊活夠用”。

當一家芯片廠商在某代製程芯片上可以保持80%以上的良率,月產能攀升至10萬片,它就基本能在這一代先進製程工藝上站穩腳跟。

同時,爲保持足夠快的迭代節奏,芯片廠商會保持“量產一代、研發一代、儲備一代”的工作流程。

據《財經十一人》此前報道,臺積電一般會有三個團隊,同步開展三代製程的研究。一個團隊從事3納米制程的研發和良率的提升,一個團隊從事2納米制程的研發,還有一個團隊會進行1.5納米制程路徑的研發。3納米制程量產後,3納米制程的團隊就會跳到1.5納米的團隊加入研發,1.5納米的團隊就跳往下一代更小製程的路徑研發,如此滾動接力。因此外界看來每兩年推出一代先進製程的週期,內部佈局常常有五六年之久。

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按照三星、臺積電、英特爾三家已經公佈的時間表,2納米將在2025年實現量產,而該年被行業視作一道分水嶺。隨着芯片尺寸越做越小,每一代製程的成本投入更大,性能提升的幅度反而更小。

摩爾定律的提出者、已故的英特爾創始人戈登·摩爾曾預測摩爾定律的極限將於2025年左右到來,臺積電創始人張忠謀也持有同一觀點。

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巨頭站位之爭

TrendForce集邦諮詢分析師喬安接受採訪分析稱,目前觀察各家2納米芯片的客戶狀況來看,以臺積電最爲積極,已有超過10家客戶導入研發;三星的2納米基礎仍建立在其3納米制程技術上,需要持續觀察良率改善情況;英特爾獨立對外部客戶的服務則主要集中在Intel 18A製程上。她判斷,預計要到2026年纔會看到各家2納米產品出現在市面上。

芯片製程的迭代已經形成了一個涉及多個行業參與者、技術和市場動態的成熟生態系統,其中不僅包括臺積電、三星等半導體制造商,還包括英偉達、AMD等設計和IP公司,像蘋果、聯發科、高通智能終端客戶經常需要參與共同開發。

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專注於科技行業的國際研究機構Omdia的半導體研究總監何輝告訴記者,臺積電這一類成熟的芯片製造廠商一直都是保持相對固定的迭代模式,某一代製程芯片實現量產了,同年就會對外公佈下一代的目標,包括製程工藝與量產時間。

何輝判斷,80%的良率是臺積電量產的一個最低限度,而像其內部成熟的技術工藝,如5納米,良率應該已經超過95%,大規模量產就已經可以持續盈利。

作爲全球排名第一的芯片製造廠商,無論從技術成熟度,還是從生產能力與規模而言,臺積電都是該領域碾壓對手的霸主。半導體行業長期又是一個頭部效應極度明顯的市場格局,“老大吃肉,老二喝湯,老三捱餓”是常態。

在衝擊2納米的賽道上,臺積電同樣已經領先競爭對手多個身位,以最近的上一代3納米制程最爲典型,臺積電目前被普遍認爲是市場上唯一的勝利者。

此前與臺積電激烈競爭3納米的對手主要是三星。2022年6月,三星宣佈推出的3納米制程工藝,領先臺積電近6個月,但之後便陸續被媒體曝出深陷良率黑洞,無法滿足客戶要求。

有行業人士對記者分析,三星雖然在7納米、5納米及3納米上緊咬臺積電,但從客戶的選擇來看,主要是作爲臺積電的“二供”。據TrendFoce研報此前透露,高通將選擇臺積電、三星作爲最新一代驍龍處理器3納米芯片的“雙供應商”,但最終又因良率問題放棄,全面轉投臺積電。目前,三星3納米芯片在業內並未傳出有大客戶買單。

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與之形成鮮明對比,臺積電從2022年12月推出3納米制程後,良率與產能穩步爬坡,接連拿下蘋果、高通、聯發科等大客戶訂單,3納米芯片產量正在開始逐步增加,目標要在2024年下半年實現80%產能利用率。

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目前市場上以蘋果爲代表的智能手機廠商是採用3納米制程的主要客戶,安卓機廠商會在其後陸續發佈相應的產品。

2025年是3納米制程的普及之年,智能手機CPU SoC芯片(系統級芯片)將會是最主要的應用。據臺媒Wccftech報道,臺積電已經打算在2024年將3納米月產能提高至10萬片,同時專注於進一步提高良品率。同時,三星也在盡全力提升良率、爭取用戶。

三家之中,英特爾在芯片製造領域長年缺少存在感。

根據TrendForce歷年統計的全球十大晶圓代工廠,臺積電穩定以60%上下的市場份額穩居第一,三星約佔10%排第二,英特爾僅在2023年第三季度首次入選,份額只有1%,下一季度又被其他廠商超越。

但也有行業人士對記者表示,英特爾今年一季度開始內部重組,將設計與製造徹底分開,將晶圓代工業務獨立且自負盈虧是其一項重要改革。另值得關注的是,ASML今年生產的High-NA EUV光刻機,英特爾是業內第一家拿到首批6臺的客戶,這一系列動作都可以解讀出這家老牌芯片巨頭“壯士斷腕”、發力2納米的決心。

當前市場對先進製程芯片的需求只增不減。隨着AI熱潮的爆發,英偉達數據中心GPU芯片在全球搶購成風,雖然相比於智能手機SoC芯片,數據中心芯片對於先進製程的需求較爲保守,英偉達GTC大會上發佈的最先進B200芯片使用的仍是臺積電的4納米方案,但隨着算力需求快速膨脹,其不久之後勢必會將先進製程芯片總量推向一個前所未有的量級,先進製程芯片的產能仍是各家爭搶的目標。

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臺積電董事長劉德音最近在IEEE網站上署名發表文章,把半導體行業過去50年縮小芯片尺寸的努力比作“在隧道中行走”。如今距離摩爾定律的極限越來越近,行業已經走到隧道的盡頭,半導體技術將變得更加難以發展,2納米將會是芯片巨頭搶灘的關鍵一戰。

編 輯:馬秋月

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