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作者：鐵頭哥
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(huì)長(zhǎng)李在镕去了一趟ASML，談的能是采購(gòu)光刻機(jī)的事。另一方面，臺(tái)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(lái)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(chǎng)的廠家，可能也不是一個(gè)國(guó)家、一個(gè)企業(yè)。
鐵頭作為一個(gè)外行，也斗膽給大家聊聊全球參與的“2nm技術(shù)戰(zhàn)”。
01、褲腰帶的藝術(shù)
很多媒體報(bào)道2nm時(shí)，都會(huì)很簡(jiǎn)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(jí)的。如有錯(cuò)誤，還望海涵。
首先，鐵頭要問一個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管。有一個(gè)源極（Source）、一個(gè)漏極（Drain）和一個(gè)柵極（Gate）。
電流從源極到漏極，形成了計(jì)算回路。柵極就要控制電流，讓電流按照設(shè)計(jì)完成計(jì)算。
鐵頭想了半天，最后認(rèn)為柵極就是個(gè)褲腰帶。人穿衣服出門，衣服可以跟隨身體自由活動(dòng)，但是褲腰帶要把褲子限制住，不然就會(huì)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(lái)越多。地方不夠了，柵極就會(huì)越變?cè)郊?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(huì)不聽話，有了自己的想法，這就是漏電。
芯片漏出來(lái)的電，沒有別的地方去，就會(huì)變成熱量消耗掉。亂上加亂的是，溫度越高，漏電電流還會(huì)上升。漏電和高溫相互“幫忙”，左腳踩右腳上天。芯片越來(lái)越燙，手機(jī)就成了暖寶寶。
上個(gè)世紀(jì)90年代，整個(gè)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(gè)時(shí)候，有個(gè)叫胡正明的華人教授就說：要不然，我們換個(gè)褲腰帶試試？
他的想法是，把源極和漏極“凸出來(lái)”，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。“主動(dòng)”貼合身體，把褲子“固定住”，這不就舒服了嗎？
這個(gè)結(jié)構(gòu)，看起來(lái)就是一個(gè)大魚鰭。所以叫“鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管”，也就是FinFET。有了這個(gè)技術(shù)，才有了后來(lái)的14nm，10nm和7nm。
不過這個(gè)技術(shù)，距離新聞里的2nm還差得遠(yuǎn)。
02、三星VS臺(tái)積電：光放話不打架
為啥說FinFET沒法做2nm呢？因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)5nm的時(shí)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(gè)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(huì)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(huì)下降，這樣的話，晶體管驅(qū)動(dòng)電流又會(huì)下降，影響性能升級(jí)。簡(jiǎn)單來(lái)說，“松緊帶”太細(xì)太松，穿褲子的人還不敢劇烈運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闀r(shí)間長(zhǎng)了還要“掉褲子”。
但是三星和臺(tái)積電還是要做3nm的，那就要把結(jié)構(gòu)繼續(xù)升級(jí)，把柵極和漏極徹底包裹住，就成了全環(huán)柵晶體管（GAAFET）。柵極四面都裹上了，可不就是“全環(huán)柵”嗎？
如果從顯微圖上看，這個(gè)版本的“褲腰帶”，就變成了“帶扣皮帶”，控制能力更強(qiáng)。但是好手藝往往費(fèi)人力，這種晶體管要加工的是納米片，細(xì)節(jié)上的工藝不好調(diào)整。而且由于加工精度高，產(chǎn)品的良率也會(huì)下降。
看到這里，鐵頭也就理解為啥三星不放出3nm的具體時(shí)間表，明白臺(tái)積電為啥在5nm和4nm之間糾結(jié)了。人在憤怒的情況下，什么都可能做，就是做不出來(lái)數(shù)學(xué)題，還有芯片。
不過臺(tái)積電準(zhǔn)備的，是2nm芯片，納米片晶體管（MBCFET）的技術(shù)，也還是要看后續(xù)的發(fā)展。按照魏哲家的說法，臺(tái)積電的2nm著重于測(cè)試載具的設(shè)計(jì)與實(shí)作、光罩制作、以及硅試產(chǎn)。
臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Kevin Zhang表示，CFET只是選項(xiàng)之一，具體生產(chǎn)時(shí)間不確定。而且3nm會(huì)成為擁有大量需求的長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)計(jì)算能效有更高要求的客戶可以率先轉(zhuǎn)向2nm。翻譯出來(lái)就是：這兩年臺(tái)積電的目標(biāo)是3nm，2nm是試著玩的，大家不要想太多。
聊2nm，不能把三星忘了。面對(duì)“褲腰帶問題”，三星在2021年和IBM提出了很激進(jìn)的思路：豎著放。根據(jù)他們的介紹，傳統(tǒng)的CMOS是橫向構(gòu)建的，他們換了個(gè)思路，垂直放置。所以叫“垂直輸送納米片”。以前大家都橫著系褲腰帶，我穿背帶褲，就不用考慮“掉褲子”了。
從市場(chǎng)的角度看，VTFET還是離我們太遙遠(yuǎn)。三星現(xiàn)在關(guān)注的還是3nm比較多，很早就使用了MBCFET晶體管。只不過到現(xiàn)在為止，三星放出來(lái)的還是時(shí)間表和PPT，更加詳細(xì)的技術(shù)解析資料還是比較少，所以還是不能太認(rèn)真。
以鐵頭對(duì)三星面板技術(shù)投入的觀察，三星在先期技術(shù)路線上的選擇是很激進(jìn)的，搶到先進(jìn)技術(shù)，就要砸大量的資源占山為王。三星在OLED領(lǐng)域當(dāng)時(shí)就是引進(jìn)日本技術(shù)后重金投入，最后砸出了個(gè)QD-OLED。這種決心不可小視。
但是三星的良率一直是個(gè)問題，之前三星的旗艦移動(dòng)處理器Exynos 2200就是雷聲大雨點(diǎn)小，甚至還有緊急撤銷宣發(fā)的情況。如果三星內(nèi)部的力量還不能有效整合，2nm也可能會(huì)虎頭蛇尾。
03、諸侯爭(zhēng)霸，三家稱王
既然說是“全球2nm技術(shù)戰(zhàn)”了，鐵頭就再聊聊美國(guó)、日本和歐洲的情況。
美國(guó)方面，目前英特爾公布的路線圖顯示，2024年Intel 20A（對(duì)標(biāo)行業(yè)的2nm）將會(huì)問世，對(duì)應(yīng)的技術(shù)叫做“RibbonFET”。首先，這個(gè)預(yù)期要比臺(tái)積電2025年的目標(biāo)提前一年。其次，英特爾的計(jì)劃是一年實(shí)現(xiàn)一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，要比臺(tái)積電和三星激進(jìn)。
鐵頭對(duì)比了一下三星和臺(tái)積電的進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)三星和臺(tái)積電的節(jié)點(diǎn)是2023年實(shí)現(xiàn)3nm商用。如果今年年底英特爾能放出自己的4nm工藝。說明英特爾的預(yù)定計(jì)劃已經(jīng)階段性完成，會(huì)對(duì)臺(tái)積電和三星造成不小的壓力。
日本目前在芯片制造產(chǎn)能上，依舊是“白嫖”狀態(tài)。目前可以確定的新聞是，日美簽署了半導(dǎo)體合作基本原則，“最早在2025財(cái)年啟動(dòng)國(guó)內(nèi)2納米半導(dǎo)體制造基地”。
鐵頭含蓄一點(diǎn)說，這個(gè)時(shí)間實(shí)際已經(jīng)慢了。因?yàn)?ldquo;啟動(dòng)制造基地”說明修建產(chǎn)線還要花時(shí)間，與此同時(shí)，之前提到的臺(tái)積電、三星和英特爾產(chǎn)能已經(jīng)鋪好了。至于日媒長(zhǎng)期以來(lái)宣稱的“半導(dǎo)體上游主導(dǎo)論”，實(shí)際也影響不到先進(jìn)制程。造芯片是能力問題，和有沒有原料無(wú)關(guān)。
歐洲方面，目前可以確定的消息是，英特爾會(huì)在歐洲投資800億建設(shè)先進(jìn)制程工廠，大概率今年開工。歐盟也推進(jìn)過處理器研發(fā)的聯(lián)合項(xiàng)目，但是2nm的研發(fā)預(yù)算是……1.1億美元。結(jié)合歐洲半導(dǎo)體企業(yè)的主體業(yè)務(wù)看，歐盟目前還沒有一個(gè)“帶頭沖鋒”的2nm項(xiàng)目，還需要一年的觀察，如果這一年做不出什么，以后也做不出啥了。
不過可以肯定的是，今年年底會(huì)是一個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。雖然臺(tái)積電劉德音股東大會(huì)上才放話，表示“對(duì)于日美合作2nm，三星以及英特爾在2納米技術(shù)上的發(fā)展，臺(tái)積電并不會(huì)特別擔(dān)心。”但是2nm時(shí)代的技術(shù)大戰(zhàn)，現(xiàn)在已經(jīng)拉開序幕了。
