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盡管絕大部分半導體市場都被成熟制程占據(jù)，多數(shù)應用領域并不需要用到更先進的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體大國要聯(lián)合研發(fā)2nm芯片的消息。“2nm現(xiàn)象”，值得深思。
先進制程市占率上升
不難看出，盡管如今半導體市場被成熟制程占據(jù)，但先進制程舉足輕重。
隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，在先進制程的發(fā)展之路上，荊棘重重。也因此，隨著技術研發(fā)難度越來越高，不少廠商開始選擇放棄先進制程的競爭，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追求腳步的不斷加速，近年來市場對于先進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%。
數(shù)據(jù)來源：IC Insights
臺積電2021年營收顯示，其主要的營收在于先進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等先進制程的研發(fā)。作為如今業(yè)內(nèi)唯二能制造出先進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，市場對于先進制程的熱度只增不減。
數(shù)據(jù)來源：臺積電2021年年報
此外，除了手機、電腦等傳統(tǒng)意義上先進制程的典型應用領域外，一些曾經(jīng)以成熟制程為主的應用領域，如今也不難看到先進制程的身影。例如，已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進制程工藝的車規(guī)級芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達等，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域的最后一戰(zhàn)，也是關鍵一戰(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，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)難以在半導體領域替代硅材料。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最先進的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機，用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構的2nm芯片，預計在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機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。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。
來源：三星
盡管量產(chǎn)2nm芯片還需時日，但此時此刻，臺積電、三星電子兩家芯片大廠不約而同地尋求下一代EUV光刻機，也意味著作為硅芯片的最后一戰(zhàn)——2nm之戰(zhàn)已經(jīng)打響。而究竟誰將會是最后的“贏家”，還難以預判。
2nm代表不了半導體的全部
毫無疑問，2nm制程已經(jīng)被龍頭半導體廠商們視為占領市場“制高點”的關鍵，然而，是否意味著擁有了2nm技術，就擁有了半導體制造業(yè)的控制權？
復旦大學微電子學院副院長周鵬表示，3nm、2nm甚至未來1nm先進工藝制程在推進的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)可能不在于技術研發(fā)，而在于成本。28nm節(jié)點下的芯片設計成本僅為5130萬美元，而7nm、5nm節(jié)點下的芯片設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，但這并不意味著擁有過了光刻機就可以高枕無憂。
周鵬表示，光刻機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技術以及光源、掩模工具等技術均亟待優(yōu)化。“除光刻機外，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的開發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過程中必須解決的技術難題。”周鵬說。
可見，工藝制程的推進同樣伴隨著成本的大幅增加，導致半導體制造企業(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技術就掌握了半導體制造的“制高權”，相比先進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注，未來，需要在先進工藝的研發(fā)制造與成本支出之間找到一個平衡點，而這也并非易事。
雖然，在2nm的“背水一戰(zhàn)”中，很難有企業(yè)獲得最終的控制權，最終能站在制高點的企業(yè)也寥寥無幾，但這也并不意味著先進制程的研發(fā)并無意義。
周鵬表示：“摩爾定律每個工藝節(jié)點的突破，對于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有非凡的意義，也勢必改變整個半導體行業(yè)的市場格局，因此，先進工藝節(jié)點的研究對于代工廠商以及整個半導體行業(yè)的發(fā)展都至關重要。無論未來先進制程領域的引領者是誰，最終受益者都是整個集成電路行業(yè)以及享用高性能電子產(chǎn)品的每一個人。”
作者丨沈叢
編輯丨連曉東
美編丨馬利亞
監(jiān)制丨連曉東
