2nm制程：四強(qiáng)爭(zhēng)霸，誰(shuí)是炮灰？

距離2nm制程量產(chǎn)還有一年左右的時(shí)間，當(dāng)下，對(duì)于臺(tái)積電、三星和英特爾這三大玩家來(lái)說(shuō)，都進(jìn)入了試產(chǎn)準(zhǔn)備期，新一輪先進(jìn)制程市場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)一觸即發(fā)。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累、發(fā)展和追趕，在工藝成熟度和良率方面，三星、英特爾與臺(tái)積電的差距越來(lái)越小了，在2nm時(shí)代，臺(tái)積電依然占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的局面可以預(yù)見(jiàn)，但與5nm和3nm時(shí)期相比，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)恐怕會(huì)激烈得多。

三大玩家的2nm技術(shù)路線

在發(fā)展2nm制程技術(shù)方面，臺(tái)積電、三星和英特爾既有相同點(diǎn)，也有不同之處，總體來(lái)看，臺(tái)積電相對(duì)穩(wěn)健，英特爾相對(duì)激進(jìn)，三星則處于居中位置。

首先看臺(tái)積電。

該晶圓代工龍頭的2nm制程將包括N2、N2P和N2X三個(gè)版本，預(yù)計(jì)2025下半年開(kāi)始量產(chǎn)其第一代GAAFET N2節(jié)點(diǎn)芯片，2nm的下一個(gè)版本N2P將在 2026年底量產(chǎn)。與英特爾不同，臺(tái)積電的這兩個(gè)版本2nm工藝沒(méi)有使用背面供電技術(shù)，不過(guò)，整個(gè)N2系列將增加臺(tái)積電新的NanoFlex功能，該功能允許芯片設(shè)計(jì)人員在同一模塊中匹配來(lái)自不同庫(kù)（高性能、低功耗、不同面積）的單元，以提高性能或降低功耗。

為了控制成本，臺(tái)積電將使用GAAFET晶體管架構(gòu)，而不是傳說(shuō)中的互補(bǔ)式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET）。

臺(tái)積電的3nm工藝已經(jīng)支持一種稱為FinFlex的功能，它也允許設(shè)計(jì)人員使用來(lái)自不同庫(kù)的單元，不過(guò)，N2依賴于GAAFET納米片晶體管，使NanoFlex提供了一些額外的控制能力，可以優(yōu)化性能和功率的通道寬度。
與

N3E相比，臺(tái)積電預(yù)計(jì)N2在相同功率下可將性能提高10%~15%，或在相同頻率和復(fù)雜性下將功耗降低25%~30%。

N2之后將是性能增強(qiáng)型N2P，以及2026年的電壓增強(qiáng)型N2X。盡管臺(tái)積電曾表示N2P將在2026年增加背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN），但看起來(lái)情況并非如此，N2P將使用常規(guī)供電電路，具體原因尚不清楚。

N2仍有望采用與電源相關(guān)的創(chuàng)新，也就是超高性能金屬絕緣體金屬（SHPMIM）電容器，這種電容器可以提高電源穩(wěn)定性，SHPMIM電容器的容量密度是臺(tái)積電現(xiàn)有超高密度金屬絕緣體金屬（SHDMIM）電容器的兩倍多。

下面看三星。

三星也將于2025年量產(chǎn)2nm（SF2）制程芯片，然后于2026年采用背面供電技術(shù)。與3nm工藝（SF3）相比，三星的2nm工藝性能提升12%，功率效率提升25%，面積減少5%。

相對(duì)于臺(tái)積電而言，三星公布的2nm制程工藝技術(shù)細(xì)節(jié)不多，不知道量產(chǎn)時(shí)是否會(huì)有什么大招放出。

最后看英特爾。

2024年初，在發(fā)布其“四年內(nèi)五個(gè)節(jié)點(diǎn)”計(jì)劃（稱為“5N4Y”）時(shí)，英特爾介紹了其20A（2nm級(jí)）制程技術(shù)，該工藝計(jì)劃在2025年初投入生產(chǎn)。

據(jù)悉，英特爾的20A引入了RibbonFET GAA晶體管和PowerVia背面供電技術(shù)，而之后的升級(jí)版本18A則將改進(jìn)這兩種技術(shù)。該公司是背面供電技術(shù)的積極倡導(dǎo)者，并在不斷改進(jìn)，因此，預(yù)計(jì)英特爾也將會(huì)在2nm制程技術(shù)領(lǐng)域有較多創(chuàng)新。

英特爾將比臺(tái)積電早兩年使用背面供電技術(shù)，此外，在使用GAA晶體管架構(gòu)方面，也比臺(tái)積電早一年半的時(shí)間。但是，是否可以將這些新技術(shù)轉(zhuǎn)化成實(shí)實(shí)在在的量產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵還是要看英特爾能否將PPA（性能、功耗、面積）優(yōu)化到位。

數(shù)字游戲

2024年3月，三星電子通知客戶和合作伙伴，宣布將新版第二代3nm工藝改名為2nm。三星稱，該工藝將在今年年底量產(chǎn)。

一位IC設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi)人士表示：“我們收到了三星電子的通知，他們正在將第二代3nm制程更名為2nm。我們?nèi)ツ昱c三星電子代工廠簽訂的第二代3nm制程合同也將更名為2nm，因此，我們需要在不久的將來(lái)重寫合同?！?/p>

有業(yè)內(nèi)人士表示，三星第二代3nm制程減小了晶體管尺寸，很大程度上是為了滿足營(yíng)銷的需要。

臺(tái)積電在IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議（IEDM）上揭露，將繼2nm后，推出1.4nm制程，且延續(xù)將2nm正式命名為A20的做法，1.4nm被命名為A14，預(yù)計(jì)2027~2028年量產(chǎn)。

三星緊追臺(tái)積電不放，宣布計(jì)劃2027年量產(chǎn)1.4nm制程。

英特爾對(duì)制程的命名則一改多年前的“倔強(qiáng)”，不再固守摩爾定律的絕對(duì)規(guī)范，而是考慮到更多的商業(yè)化拓展需求，讓制程節(jié)點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)更接近市場(chǎng)和客戶習(xí)慣。因此，該公司CEO基辛格在主持英特爾創(chuàng)新日臺(tái)北場(chǎng)時(shí)重申，Intel 7已進(jìn)入量產(chǎn)階段，Intel 4現(xiàn)已量產(chǎn)準(zhǔn)備就緒，Intel 3也會(huì)按計(jì)劃于今年底推出。他在現(xiàn)場(chǎng)展示了以Intel 20A試產(chǎn)出的晶圓，預(yù)計(jì)將用于2025年推出的Arrow Lake處理器，Intel 18A也將有望在2025下半年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

目前，對(duì)于5nm及以下的先進(jìn)制程工藝，出現(xiàn)了越來(lái)越多的“數(shù)字游戲”，這也是競(jìng)爭(zhēng)壓力下的產(chǎn)物，由于臺(tái)積電的先進(jìn)制程在業(yè)內(nèi)深入人心，要想提升競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更多市場(chǎng)份額，就不得不順應(yīng)市場(chǎng)需求和客戶習(xí)慣，才有助于拓展市場(chǎng)空間。

2nm制程量產(chǎn)的挑戰(zhàn)

2025年是2nm制程量產(chǎn)元年，真正的較量恐怕會(huì)出現(xiàn)在2026年。對(duì)于臺(tái)積電、三星、英特爾，以及日本的Rapidus來(lái)說(shuō)，依然需要解決各自的問(wèn)題，才能將量產(chǎn)工作鋪開(kāi)。

臺(tái)積電的高成本

International Business Strategies（IBS）的分析師認(rèn)為，與3nm處理器相比，2nm芯片成本將增長(zhǎng)約50%。

IBS估計(jì)，一個(gè)產(chǎn)能約為每月50000片晶圓（WSPM）的2nm產(chǎn)線的成本約為280億美元，而具有類似產(chǎn)能的3nm產(chǎn)線的成本約為200億美元。增加的成本，很大一部分來(lái)自于EUV光刻設(shè)備數(shù)量的增加，這將大大增加每片晶圓和每個(gè)芯片的生產(chǎn)成本，而能夠接受如此高成本芯片的廠商，只有蘋果、AMD、英偉達(dá)和高通等少數(shù)幾家。

IBS估計(jì)，2025~2026年，使用臺(tái)積電N2工藝加工單個(gè)12英寸晶圓將花費(fèi)蘋果約30000美元，而基于N3工藝的晶圓成本約為20000美元。

隨著對(duì)AI處理器需求的增加，英偉達(dá)在臺(tái)積電收入中的份額會(huì)在2024年增加，該公司已經(jīng)預(yù)訂了臺(tái)積電晶圓代工和CoWoS封裝產(chǎn)能，以確保其用于AI的優(yōu)質(zhì)處理器的穩(wěn)定供應(yīng)。今年，AMD在臺(tái)積電總營(yíng)收中的份額有望超過(guò)10%。

正是有蘋果、英偉達(dá)、AMD等大客戶下單，臺(tái)積電才會(huì)大規(guī)模投資最先進(jìn)制程，否則，像2nm這樣燒錢的制程產(chǎn)線，是很難持續(xù)支撐下去的。但是，就目前的情況來(lái)看，臺(tái)積電對(duì)2024全年的晶圓代工市場(chǎng)預(yù)判較為保守，認(rèn)為之前的預(yù)估過(guò)于樂(lè)觀了，之前預(yù)估該行業(yè)年增長(zhǎng)20%左右，現(xiàn)在看來(lái)，增長(zhǎng)率可能只有10%左右。在這種情況下，雖然有大客戶的訂單，也必須控制一下成本和資本支出了。

目前，臺(tái)積電正在全方位的控制成本，包括EUV設(shè)備的支出，電能的節(jié)省等。雖然在2nm制程成本方面，其它幾家廠商也會(huì)面臨成本問(wèn)題，但為了追趕臺(tái)積電，三星和英特爾似乎在成本方面沒(méi)有臺(tái)積電那么敏感。另外，由于臺(tái)積電要在美國(guó)新建至少兩座先進(jìn)制程晶圓廠，這給它帶來(lái)了很多額外的成本壓力。因此，臺(tái)積電的2nm制程產(chǎn)線必須精打細(xì)算。

三星的良率問(wèn)題

對(duì)于晶圓代工來(lái)說(shuō)，良率非常重要，它直接影響生產(chǎn)成本和客戶認(rèn)可度。

自從進(jìn)入5nm制程時(shí)代以來(lái)，良率一直是三星晶圓代工業(yè)務(wù)所面對(duì)的最大問(wèn)題，特別是在3nm制程節(jié)點(diǎn)上，三星率先引入了全新的GAA架構(gòu)晶體管，與以往使用的FinFET晶體管有較大區(qū)別，也使良率問(wèn)題進(jìn)一步放大。

據(jù)Notebookcheck報(bào)道，三星的3nm工藝良率在50%附近徘徊，依然有一些問(wèn)題需要解決。三星2023年曾表示，其3nm工藝量產(chǎn)后的良率已達(dá)到60%以上，不過(guò)，現(xiàn)在看來(lái)，當(dāng)時(shí)過(guò)于樂(lè)觀了。

今年2月，據(jù)韓媒報(bào)道，三星新版3nm工藝存在重大問(wèn)題，試產(chǎn)芯片均存在缺陷，良率為0%。報(bào)道指出，采用3nm工藝的Exynos 2500芯片因缺陷未能通過(guò)質(zhì)量測(cè)試，導(dǎo)致后續(xù) Galaxy Watch 7的芯片組也無(wú)法量產(chǎn)。報(bào)道指出，由于Exynos 2500芯片試產(chǎn)失敗，三星推遲了大規(guī)模生產(chǎn)，目前，尚不清楚是否能夠及時(shí)解決良率問(wèn)題。

為了追趕臺(tái)積電，三星的3nm制程工藝采取了比較激進(jìn)的策略，主要體現(xiàn)在GAA晶體管架構(gòu)上，臺(tái)積電的3nm依然采用FinFET。2nm才會(huì)轉(zhuǎn)向GAA晶體管，激進(jìn)的結(jié)果就是要在良率方面付出一些代價(jià)。
如果3nm的良率問(wèn)題不能解決，2nm恐怕會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。

英特爾的客戶

對(duì)于晶圓代工業(yè)新進(jìn)入者，英特爾面臨的最大問(wèn)題當(dāng)然是客戶認(rèn)可度，特別是像2nm這樣先進(jìn)的制程工藝，對(duì)于在10nm以下晶圓代工市場(chǎng)鮮有量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和出貨量的廠商來(lái)說(shuō)，在與臺(tái)積電和三星的競(jìng)爭(zhēng)中，如何搶奪客戶，特別是有較大出貨量需求的客戶（2nm成本很高，若出貨量小，根本不可能盈利），是一大挑戰(zhàn)。

Rapidus的挑戰(zhàn)

日本Rapidus晶圓廠的2nm制程工藝源自IBM。Rapidus派遣工程師前往IBM在紐約的奧爾巴尼納米技術(shù)中心進(jìn)行研發(fā)，并與IBM以外的合作伙伴合作開(kāi)發(fā)2nm工藝，目標(biāo)是在2020年代后期進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

與英特爾類似，Rapidus是晶圓代工業(yè)的新進(jìn)入者，大規(guī)模生產(chǎn)工藝研發(fā)是從零開(kāi)始的，客戶認(rèn)可度是一大挑戰(zhàn)。

假設(shè)已經(jīng)投資Rapidus的豐田汽車、電裝、NTT、IBM等公司將他們需要的先進(jìn)制程芯片交由Rapidus代工生產(chǎn)，但是，這些廠商能有多少2nm制程芯片需求？而將先進(jìn)制程芯片外包給臺(tái)積電、三星等晶圓代工廠的客戶，如蘋果、高通、AMD、英偉達(dá)和聯(lián)發(fā)科，才是出貨量大戶，他們能否選擇Rapidus，關(guān)鍵在于這些大客戶能夠充分了解并認(rèn)可Rapidus的工藝水平，以及所創(chuàng)造的附加值，如果不能的話，他們很難將訂單從臺(tái)積電和三星那里轉(zhuǎn)出。
另外，僅僅在奧爾巴尼學(xué)到了IBM的2nm工藝，并不意味著可以直接將其應(yīng)用于Rupidus晶圓廠的大規(guī)模生產(chǎn)，有很多工程問(wèn)題需要解決，這不是一朝一夕的事情。

還有一個(gè)問(wèn)題是Rapidus能獲得多少EUV設(shè)備，這對(duì)2nm制程芯片量產(chǎn)至關(guān)重要。ASML在2022年的EUV光刻設(shè)備出貨量約為55臺(tái)，2023年的產(chǎn)能提高到60臺(tái)以上，到2025年可達(dá)到90臺(tái)左右。但是，隨著制程工藝的特征尺寸小越來(lái)越小，EUV光刻的層數(shù)會(huì)持續(xù)增加，其

它幾家晶圓廠會(huì)持續(xù)爭(zhēng)奪EUV設(shè)備，Rapidus能得到多少呢？

結(jié)語(yǔ)

據(jù)韓媒報(bào)道，臺(tái)積電總裁魏哲家沒(méi)有出席23日在臺(tái)北舉行的臺(tái)積電2024年技術(shù)論壇，是因?yàn)樗巴鶜W洲秘密訪問(wèn)ASML荷蘭總部和德國(guó)工業(yè)激光大廠TRUMPF。

為了沖刺先進(jìn)制程晶圓代工，英特爾已成為ASML首臺(tái)最新型High-NA EUV（高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)）的買家。臺(tái)積電高層原本表示，其2nm和A16制程節(jié)點(diǎn)并不需要High-NA EUV，因?yàn)樗F了。但據(jù)BusinessKorea報(bào)道，臺(tái)積電總裁魏哲家這次秘密飛往荷蘭，是與ASML商討EUV設(shè)備事宜。

雖然魏哲家的訪歐行程是保密的，但ASML新任CEO富凱（Christophe Fouquet）和TRUMPF公司CEO卡穆勒（Nicola Leibinger-Kammüller）都在社群媒體上曝光了魏哲家到訪的消息。富凱直言，ASML向魏哲家介紹了公司的最新技術(shù)與產(chǎn)品，包括High-NA EUV設(shè)備將如何實(shí)現(xiàn)未來(lái)半導(dǎo)體的微制程工藝技術(shù)。

這可以從一個(gè)側(cè)面反映出臺(tái)積電、英特爾和三星爭(zhēng)奪新一代光刻設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)在升溫，2nm及以下先進(jìn)制程的競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)打。