3nm、2nm甚至未來1nm先進(jìn)工藝制程在推進(jìn)的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)是什么？

盡管絕大部分半導(dǎo)體市場都被成熟制程占據(jù)，多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域并不需要用到更先進(jìn)的2nm制程，但各企業(yè)還是競相追逐，甚至近日傳出日美兩大半導(dǎo)體大國要聯(lián)合研發(fā)2nm芯片的消息?！?nm現(xiàn)象”，值得深思。

先進(jìn)制程市占率上升

不難看出，盡管如今半導(dǎo)體市場被成熟制程占據(jù)，但先進(jìn)制程舉足輕重。

隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，在先進(jìn)制程的發(fā)展之路上，荊棘重重。也因此，隨著技術(shù)研發(fā)難度越來越高，不少廠商開始選擇放棄先進(jìn)制程的競爭，徹底投身于成熟制程的研發(fā)。例如，晶圓代工廠格芯曾在2020年公開表示放棄7nm以下的競爭。

然而，隨著人們對新興技術(shù)追求腳步的不斷加速，近年來市場對于先進(jìn)制程的熱度只增不減，市占率不斷飆升。

IC Insights數(shù)據(jù)顯示，在2019年，10nm以下先進(jìn)制程的市占率僅為4.4%，到2024年其比例將增長到30%，而10nm～20nm制程的市占率將從38.8%下降到26.2%，20nm～40nm制程的市占率將從13.4%下降到6.7%。

臺積電2021年營收顯示，其主要的營收在于先進(jìn)制程而并非成熟制程，臺積電7nm及以下制程的營收，在2021年全年達(dá)到了50%。此外，臺積電在其法說會上表示其資本支出中的80%將用于3nm、5nm及7nm等先進(jìn)制程的研發(fā)。作為如今業(yè)內(nèi)唯二能制造出先進(jìn)制程的晶圓代工廠商之一，其營收情況以及資本支出可以表明，市場對于先進(jìn)制程的熱度只增不減。

此外，除了手機(jī)、電腦等傳統(tǒng)意義上先進(jìn)制程的典型應(yīng)用領(lǐng)域外，一些曾經(jīng)以成熟制程為主的應(yīng)用領(lǐng)域，如今也不難看到先進(jìn)制程的身影。例如，已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進(jìn)制程工藝的車規(guī)級芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達(dá)等，陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。

硅芯片的最后一戰(zhàn)?

2nm或許是如今硅芯片領(lǐng)域的最后一戰(zhàn)，也是關(guān)鍵一戰(zhàn)。而這一戰(zhàn)，隨著臺積電、三星奮力尋求ASML高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，也開始逐漸打響。

此前，新思科技的研究專家Victor Moroz表示，硅晶體管的能力有限，它很有可能只能安全微縮到2nm。此外，由于石墨烯等新材料仍處于起步階段，短時間內(nèi)難以在半導(dǎo)體領(lǐng)域替代硅材料。也因此，將2nm芯片制程視為硅芯片的最后一戰(zhàn)，幾乎成為了業(yè)內(nèi)共識。

因此，全球所有的芯片大國和行業(yè)霸主，都在暗自較勁，要在2nm上“背水一戰(zhàn)”。

6月17日臺積電舉行的技術(shù)論壇上，這家晶圓代工龍頭首次披露，到2024年，臺積電將擁有ASML最先進(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，用于生產(chǎn)納米片晶體管(GAAFET)架構(gòu)的2nm芯片，預(yù)計在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)具備更高的光刻分辨率，能夠?qū)⑿酒w積縮小1.7倍，同時密度增加2.9倍。

幾乎同一時間，有報道稱三星電子從ASML獲得了十多臺EUV光刻機(jī)。而三星同樣表示其2nm芯片將于2025年量產(chǎn)。不難看出，三星也在為3年后的2nm芯片量產(chǎn)蓄力。

眾所周知，三星上半年量產(chǎn)了3nm芯片，采用的是GAAFET晶體管技術(shù)，也就是全柵場效應(yīng)晶體管，相比于上一代的FinFET晶體管，功耗率，性能更強(qiáng)。

而臺積電則會在2nm時使用上GAAFET技術(shù)，目前業(yè)界公認(rèn)的是，只要芯片進(jìn)入2nm，就一定要使用GAAFET晶體管技術(shù)，之前的FinFET晶體管技術(shù)，必須拋棄。

而之前也一直傳聞，美國有意將設(shè)計GAAFET晶體管的EDA軟件，進(jìn)行出口管制，不允許賣到中國大陸來，以此來卡死中國大陸的2nm技術(shù)。

8月12日，政策終于出來了，美國商務(wù)部工業(yè)和安全局(BIS)在聯(lián)邦公報上發(fā)布一項臨時最終規(guī)定，對4項“新興和基礎(chǔ)技術(shù)”實施最新出口管制。

其中開發(fā)GAAFET(全柵場效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)集成電路必須用到的EDA(電子計算機(jī)輔助設(shè)計)軟件，被列入管制范圍，將在自今年8月15日起算60天后生效。

這意味著接下來，中國企業(yè)就算掌握了先進(jìn)的芯片設(shè)計技術(shù)，擁有設(shè)計2nm芯片的能力，但在缺少EDA工具的情況之下，也會受到很大的限制。

以往美國更多的是卡住芯片制造方面，為何這次連EDA工具也要卡死了?

原因在于，雖然我們的芯片制造技術(shù)跟不上，但設(shè)計技術(shù)，與全球頂尖水平相比，差距并不大，甚至是同一水平的。

之前華為設(shè)計的麒麟系列芯片，一直處于最頂尖的水平，7nm、5nm等沒有掉隊。后來三星推出3nm芯片時，其首批客戶也是中國大陸的。

說明中國在3nm芯片設(shè)計上，也不曾落后，一直處于頂尖水平，一旦中國解決了制造方面的問題，那就將無所畏懼了。

所以美國這次針對芯片設(shè)計也下手了，卡住2nm，讓我們在設(shè)計、制造這兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)上都受限，這樣美國才能掌握全球的芯片市場。

可見，2nm芯片這一塊，我們真的要靠自己的，連EDA這樣的工具，都不能依賴，全部要自己的整個產(chǎn)業(yè)鏈崛起才行。

當(dāng)然，也許并不是要所有產(chǎn)業(yè)鏈都達(dá)到2nm水平，但必須在供應(yīng)鏈的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，取得能與其他地區(qū)相互制衡的地位，大家相互制衡，否則就要經(jīng)常被卡。

許久不見，甚是想念。大家好，我是鐵頭哥。

聊完猴子后，鐵頭一直在關(guān)注芯片行業(yè)。一方面，是三星會長李在镕去了一趟ASML，談的能是采購光刻機(jī)的事。另一方面，臺積電最近舉辦了北美技術(shù)論壇，公布了不少新工藝。

這兩家大廠反應(yīng)這么大，主要是為了布局未來的2nm制程。如果說以前的90nm，28nm，14nm屬于“性能極大改善”的話。3nm、2nm追求的就是“性能和功耗的平衡”。而且由于底層技術(shù)難度大，這次帶頭下場的廠家，可能也不是一個國家、一個企業(yè)。

鐵頭作為一個外行，也斗膽給大家聊聊全球參與的“2nm技術(shù)戰(zhàn)”。

褲腰帶的藝術(shù)

很多媒體報道2nm時，都會很簡單的搬運(yùn)廠家的宣傳文檔：同功耗下我們性能好;同性能下我們功耗低;我們晶體管塞得多，面積大，堆料豐富……

這也難怪，大家買的是手機(jī)電腦，不是芯片里的晶體管，知道“性能好還省電”就行。但是鐵頭覺得設(shè)備性能的進(jìn)步，是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。所以咱就從外行的角度聊一下，芯片制程上去之后，技術(shù)是怎么升級的。如有錯誤，還望海涵。

首先，鐵頭要問一個問題，為啥最近幾年，宣傳自己高性能的芯片總是熱得燙手?

那我們就得看芯片里面晶體管的結(jié)構(gòu)了，芯片里面的晶體管，是場效應(yīng)晶體管。有一個源極(Source)、一個漏極(Drain)和一個柵極(Gate)。

電流從源極到漏極，形成了計算回路。柵極就要控制電流，讓電流按照設(shè)計完成計算。

鐵頭想了半天，最后認(rèn)為柵極就是個褲腰帶。人穿衣服出門，衣服可以跟隨身體自由活動，但是褲腰帶要把褲子限制住，不然就會掉褲子光屁股。柵極的作用更復(fù)雜，但是原理差不多。

芯片越做越精密，塞下的晶體管越來越多。地方不夠了，柵極就會越變越細(xì)。衣服上的褲腰帶變細(xì)了，就更容易松，就得經(jīng)常提褲子。放到芯片里，柵極太細(xì)，電流也會不聽話，有了自己的想法，這就是漏電。

芯片漏出來的電，沒有別的地方去，就會變成熱量消耗掉。亂上加亂的是，溫度越高，漏電電流還會上升。漏電和高溫相互“幫忙”，左腳踩右腳上天。芯片越來越燙，手機(jī)就成了暖寶寶。

上個世紀(jì)90年代，整個半導(dǎo)體行業(yè)都在為發(fā)熱問題發(fā)愁，甚至認(rèn)為做到25nm就是極限了。

這個時候，有個叫胡正明的華人教授就說：要不然，我們換個褲腰帶試試?

他的想法是，把源極和漏極“凸出來”，讓柵極包圍住它們倆，增加?xùn)艠O的接觸面積。這就像是把需要自己打結(jié)的褲腰帶，變成了有彈性的松緊帶?！爸鲃印辟N合身體，把褲子“固定住”，這不就舒服了嗎?

這個結(jié)構(gòu)，看起來就是一個大魚鰭。所以叫“鰭式場效應(yīng)晶體管”，也就是FinFET。有了這個技術(shù)，才有了后來的14nm，10nm和7nm。

不過這個技術(shù)，距離新聞里的2nm還差得遠(yuǎn)。

三星VS臺積電：光放話不打架

為啥說FinFET沒法做2nm呢?因為這個技術(shù)5nm的時候就撐不住了。

之前說了，晶體管的柵極需要防漏電。既然防止漏電，理論上應(yīng)該是各個方向都不放過。但是FinFET是三方圍堵，不是四面環(huán)繞。芯片做小了之后，柵極也會變細(xì)變小，還是很難限制電流。

為了芯片性能提升，F(xiàn)inFET里面的鰭片數(shù)量會下降，這樣的話，晶體管驅(qū)動電流又會下降，影響性能升級。簡單來說，“松緊帶”太細(xì)太松，穿褲子的人還不敢劇烈運(yùn)動，因為時間長了還要“掉褲子”。

毫無疑問，2nm制程已經(jīng)被龍頭半導(dǎo)體廠商們視為占領(lǐng)市場“制高點”的關(guān)鍵，然而，是否意味著擁有了2nm技術(shù)，就擁有了半導(dǎo)體制造業(yè)的控制權(quán)?

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬表示，3nm、2nm甚至未來1nm先進(jìn)工藝制程在推進(jìn)的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)可能不在于技術(shù)研發(fā)，而在于成本。28nm節(jié)點下的芯片設(shè)計成本僅為5130萬美元，而7nm、5nm節(jié)點下的芯片設(shè)計成本則分別躍升至2.978億美元和5.422億美元。

高昂的成本支出，是各大廠商不得不面臨的挑戰(zhàn)，但高昂的投入也不意味著能順利換來芯片的量產(chǎn)。以光刻機(jī)為例，臺積電和三星為量產(chǎn)2nm芯片花重金購買了ASML的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，但這并不意味著擁有過了光刻機(jī)就可以高枕無憂。

周鵬表示，光刻機(jī)的精度直接決定了芯片制程的精度，但在2nm的制程工藝上，高數(shù)值孔徑的EUV技術(shù)以及光源、掩模工具等技術(shù)均亟待優(yōu)化?！俺饪虣C(jī)外，互聯(lián)金屬電阻的惡化、高精度沉積與刻蝕工藝的需求、電路的三維集成與封裝技術(shù)的開發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過程中必須解決的技術(shù)難題?！敝荠i說。

可見，工藝制程的推進(jìn)同樣伴隨著成本的大幅增加，導(dǎo)致半導(dǎo)體制造企業(yè)帶來的投入回報比可能并沒有想象中豐碩。因此，不能斷言掌握2nm技術(shù)就掌握了半導(dǎo)體制造的“制高權(quán)”，相比先進(jìn)工藝制程帶來的密度、功耗等性能優(yōu)勢，直線上升的制造成本更值得關(guān)注，未來，需要在先進(jìn)工藝的研發(fā)制造與成本支出之間找到一個平衡點，而這也并非易事。