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半導體制程不斷微縮，面臨物理極限，當下全球2納米芯片先進制程之戰(zhàn)的號角已然吹響。
據(jù)外媒消息，繼臺積電、三星、英特爾、IBM加碼2納米后，先進制程之爭再升級，日本和美國達成共識，稱最早在2025年在日本建立2納米半導體制造基地。
頭部廠商為何對2納米勢在必得？
2納米作為3納米之后的下一個先進工藝節(jié)點，對于技術革新十分關鍵。
TrendForce集邦咨詢分析師喬安表示，半導體制程已逐漸逼近物理極限，因此晶體管架構的改變、新興材料的應用、亦或是封裝技術的演進都會是芯片持續(xù)提高效能、降低功耗的關鍵。而業(yè)界認為，在新結(jié)構的創(chuàng)新和新材料的引入上，2納米有望成為新的轉(zhuǎn)折點。
首先是結(jié)構上，根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)的規(guī)劃，在2021～2022年以后，鰭式場效應晶體管(FinFET)結(jié)構將逐步被環(huán)繞式柵極（GAAFET）結(jié)構所取代。所謂GAAFET結(jié)構，是通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運算功耗與操作溫度。
從3納米開始，業(yè)界便已顯現(xiàn)出從FinFET結(jié)構過渡到GAAFET結(jié)構技術節(jié)點的跡象，臺積電方表示，3納米的架構將會沿用FinFET結(jié)構，而三星則選擇采用GAAFET結(jié)構。
而2納米制程的推進，則將這一趨勢貫徹到底。業(yè)內(nèi)消息透露，臺積電的2納米工藝也將采用GAAFET架構。
隨著芯片制造工藝的精進，硅基芯片材料已無法滿足行業(yè)未來進一步發(fā)展的需要。2納米制程的制作過程中或?qū)⒁胍恍┬碌牟牧?，其中二維材料（如石墨烯、過渡金屬化合物）和一維材料（如碳納米管）引人關注。就碳納米管來說，其具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優(yōu)良的導熱性?？傮w而言，新材料的引入或許會給行業(yè)帶來新的變革。
頭部廠商2納米來勢洶洶
目前2納米賽道各大廠家情況較為膠著，臺積電一馬當先，三星、英特爾、IBM抱團緊隨其后。
1、臺積電2納米研發(fā)一馬當先
臺積電在2納米研發(fā)上一馬當先，2019年，臺積電便宣布啟動2納米工藝的研發(fā)。此前臺積電曾宣布2022年將支出近300億美元用于2納米、3納米等工藝研發(fā)，并預計2納米2024年能實現(xiàn)2納米試產(chǎn)，2025年全面量產(chǎn)。
而近日臺積電方面也有好消息傳出，業(yè)界消息顯示，臺積電在2納米先進制程研發(fā)上取得重大突破，已成功找到路徑，將切入GAAFET技術。
縱向?qū)Ρ阮^部廠商，臺積電有較大希望率先量產(chǎn)2納米芯片，畢竟臺積電在先進制程上一直處于領先地位，其于2018年推出7納米，2020年推出5納米，今年3納米也即將量產(chǎn)。此外，據(jù)TrendForce集邦咨詢數(shù)據(jù)顯示，臺積電在2021年第四季前十大晶圓代工業(yè)者中占據(jù)首位寶座，其2021年第四季營收達157.5億美元，季增5.8%，握有全球超過五成的市占率。
2、三星率先啟用GAA工藝
在先進制程的競賽中，三星與臺積電一直保持“你追我趕”。
今年5月，三星宣布未來5年將投資3600億美元用于半導體和生物制藥等行業(yè)，其中尤其關注先進制程方面。此前三星對芯片工藝路線圖作出了調(diào)整，將跳過4納米工藝，由5納米直接上升至3納米，并在3納米工藝中率先宣布將使用GAAFET技術。
具體到時間節(jié)點上，2021年10月，三星宣布3納米芯片已經(jīng)開始成功流片，將于2022年上半年開始生產(chǎn)，并表示2納米芯片將于2025年量產(chǎn)，兩款芯片均將采用GAAFET工藝。
最近，三星電子副會長李在镕開啟了7日歐洲穿梭之旅，據(jù)韓媒報道，他將與光刻機巨頭ASML進行接洽，爭取EUV光刻機優(yōu)先供貨。據(jù)悉，3/2納米工藝的實現(xiàn)高度依賴于ASML的新一代的EUV光刻機。業(yè)界消息顯示，ASML在2021年出貨的48臺EUV設備中，三星和臺積電分別采購了15臺和20臺。
3、英特爾尋求合作實現(xiàn)彎道超車
除了大手筆發(fā)展其代工業(yè)務外，英特爾在先進制程上也不甘落后。2021年7月，英特爾公布了最新的技術路線，并對重要工藝命名進行了修改：10納米技術改名Intel 7，7納米技術改為Intel4，5納米技術改成Intel 3，2納米技術改成Intel20A。并表示，Intel 3在2023年下半年量產(chǎn)，Intel 20A在2024年量產(chǎn)，Intel18A工藝將于2025年推出。而在2納米節(jié)點時，英特爾將由FinFET工藝轉(zhuǎn)向其稱為RibbonFET的GAAFET晶體管。
此外，據(jù)外媒消息顯示，英特爾四處尋求合作加強工藝研發(fā)。今年年初以來，已陸續(xù)傳出英特爾將會尋求和臺積電、三星、IBM等合作共同研發(fā)2納米工藝。
4、IBM搶跑2納米制造工藝
IBM是先進工藝研發(fā)的佼佼者，它曾率先推出7納米、5納米乃至2納米工藝。2021年5月，IBM發(fā)布了全球首個2納米制造工藝，并在美國紐約州奧爾巴尼的工廠展示了2納米工藝生產(chǎn)的完整300mm晶圓。
據(jù)外媒此前報道，IBM已與三星、英特爾簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。不過，該技術目前仍處在概念驗證階段，可能還需幾年才能投入市場。
據(jù)悉，IBM在實驗室研發(fā)上較強，而在規(guī)模量產(chǎn)上則不具備同等優(yōu)勢。業(yè)界猜測，IBM與三星、英特爾等合作，或許是借助三星、英特爾的代工等優(yōu)勢，推動2納米加速落地。
結(jié)語
目前業(yè)界在先進制程的競爭愈演愈烈，全球各頭部企業(yè)3納米制程還未正式量產(chǎn)，2納米制程競爭卻已逐漸白熱化。對于新技術的熱衷總會帶來驚喜，此番對于2納米的追逐是否會給業(yè)界帶來新的變革呢，我們拭目以待。
文章來源：全球半導體觀察 王凱琪
