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2纳米制程全球争夺战升级!

半导体制程不断微缩,面临物理极限,当下全球2纳米芯片先进制程之战的号角已然吹响。

据外媒消息,继台积电、三星、英特尔、IBM加码2纳米后,先进制程之争再升级,日本和美国达成共识,称最早在2025年在日本建立2纳米半导体制造基地。lVSesmc

头部厂商为何对2纳米势在必得?

2纳米作为3纳米之后的下一个先进工艺节点,对于技术革新十分关键。lVSesmc

TrendForce集邦咨询分析师乔安表示,半导体制程已逐渐逼近物理极限,因此晶体管架构的改变、新兴材料的应用、亦或是封装技术的演进都会是芯片持续提高效能、降低功耗的关键。而业界认为,在新结构的创新和新材料的引入上,2纳米有望成为新的转折点。lVSesmc

首先是结构上,根据国际器件和系统路线图(IRDS)的规划,在2021~2022年以后,鳍式场效应晶体管(FinFET)结构将逐步被环绕式栅极(GAAFET)结构所取代。所谓GAAFET结构,是通过更大的闸极接触面积提升对电晶体导电通道的控制能力,从而降低操作电压、减少漏电流,有效降低芯片运算功耗与操作温度。lVSesmc

从3纳米开始,业界便已显现出从FinFET结构过渡到GAAFET结构技术节点的迹象,台积电方表示,3纳米的架构将会沿用FinFET结构,而三星则选择采用GAAFET结构。lVSesmc

而2纳米制程的推进,则将这一趋势贯彻到底。业内消息透露,台积电的2纳米工艺也将采用GAAFET架构。lVSesmc

随着芯片制造工艺的精进,硅基芯片材料已无法满足行业未来进一步发展的需要。2纳米制程的制作过程中或将引入一些新的材料,其中二维材料(如石墨烯、过渡金属化合物)和一维材料(如碳纳米管)引人关注。就碳纳米管来说,其具有极高的载流子迁移率、非常薄的主体尺寸和优良的导热性。总体而言,新材料的引入或许会给行业带来新的变革。lVSesmc

头部厂商2纳米来势汹汹

目前2纳米赛道各大厂家情况较为胶着,台积电一马当先,三星、英特尔、IBM抱团紧随其后。lVSesmc

台积电2纳米研发一马当先lVSesmc

台积电在2纳米研发上一马当先,2019年,台积电便宣布启动2纳米工艺的研发。此前台积电曾宣布2022年将支出近300亿美元用于2纳米、3纳米等工艺研发,并预计2纳米2024年能实现2纳米试产,2025年全面量产。lVSesmc

而近日台积电方面也有好消息传出,业界消息显示,台积电在2纳米先进制程研发上取得重大突破,已成功找到路径,将切入GAAFET技术。lVSesmc

纵向对比头部厂商,台积电有较大希望率先量产2纳米芯片,毕竟台积电在先进制程上一直处于领先地位,其于2018年推出7纳米,2020年推出5纳米,今年3纳米也即将量产。此外,据TrendForce集邦咨询数据显示,台积电在2021年第四季前十大晶圆代工业者中占据首位宝座,其2021年第四季营收达157.5亿美元,季增5.8%,握有全球超过五成的市占率。lVSesmc

三星率先启用GAA工艺lVSesmc

在先进制程的竞赛中,三星与台积电一直保持“你追我赶”。lVSesmc

今年5月,三星宣布未来5年将投资3600亿美元用于半导体和生物制药等行业,其中尤其关注先进制程方面。此前三星对芯片工艺路线图作出了调整,将跳过4纳米工艺,由5纳米直接上升至3纳米,并在3纳米工艺中率先宣布将使用GAAFET技术。lVSesmc

具体到时间节点上,2021年10月,三星宣布3纳米芯片已经开始成功流片,将于2022年上半年开始生产,并表示2纳米芯片将于2025年量产,两款芯片均将采用GAAFET工艺。lVSesmc

最近,三星电子副会长李在镕开启了7日欧洲穿梭之旅,据韩媒报道,他将与光刻机巨头ASML进行接洽,争取EUV光刻机优先供货。据悉,3/2纳米工艺的实现高度依赖于ASML的新一代的EUV光刻机。业界消息显示,ASML在2021年出货的48台EUV设备中,三星和台积电分别采购了15台和20台。lVSesmc

英特尔寻求合作实现弯道超车lVSesmc

除了大手笔发展其代工业务外,英特尔在先进制程上也不甘落后。2021年7月,英特尔公布了最新的技术路线,并对重要工艺命名进行了修改:10纳米技术改名Intel 7,7纳米技术改为Intel4,5纳米技术改成Intel 3,2纳米技术改成Intel20A。并表示,Intel 3在2023年下半年量产,Intel 20A在2024年量产,Intel18A工艺将于2025年推出。而在2纳米节点时,英特尔将由FinFET工艺转向其称为RibbonFET的GAAFET晶体管。lVSesmc

此外,据外媒消息显示,英特尔四处寻求合作加强工艺研发。今年年初以来,已陆续传出英特尔将会寻求和台积电、三星、IBM等合作共同研发2纳米工艺。lVSesmc

IBM抢跑2纳米制造工艺lVSesmc

IBM是先进工艺研发的佼佼者,它曾率先推出7纳米、5纳米乃至2纳米工艺。2021年5月,IBM发布了全球首个2纳米制造工艺,并在美国纽约州奥尔巴尼的工厂展示了2纳米工艺生产的完整300mm晶圆。lVSesmc

据外媒此前报道,IBM已与三星、英特尔签署了联合开发协议。不过,该技术目前仍处在概念验证阶段,可能还需几年才能投入市场。lVSesmc

据悉,IBM在实验室研发上较强,而在规模量产上则不具备同等优势。业界猜测,IBM与三星、英特尔等合作,或许是借助三星、英特尔的代工等优势,推动2纳米加速落地。lVSesmc

结语

目前业界在先进制程的竞争愈演愈烈,全球各头部企业3纳米制程还未正式量产,2纳米制程竞争却已逐渐白热化。对于新技术的热衷总会带来惊喜,此番对于2纳米的追逐是否会给业界带来新的变革呢,我们拭目以待。‍lVSesmc

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