內卷2nm？芯片三巨頭的“行為藝術(shù)”罷了

一顆手機芯片，數千元？

一場(chǎng)關(guān)于2nm工藝的超精細（Ultra-Fine）制造競賽，在半導體行業(yè)開(kāi)啟。

舞臺上的主角，是臺積電、三星和英特爾。

近日有媒體報道，晶圓代工巨頭臺積電已經(jīng)開(kāi)啟了2nm試產(chǎn)的前置作業(yè)。其中在光刻計算方面，臺積電緊跟AI潮流，導入了英偉達DGX H100的AI系統輔助生產(chǎn)，用來(lái)提升試產(chǎn)效率，減少能源消耗。

如果一切順利，臺積電將于今年年底前試產(chǎn)1000塊2nm芯片，并在2025年實(shí)現大規模量產(chǎn)供應。

與此同時(shí)，英特爾官方高調宣布，率先在代號為“Blue Sky Creek”產(chǎn)品級測試芯片上實(shí)現了背面供電技術(shù)，這項為摩爾定律續命的先進(jìn)技術(shù)，將在Intel 20A工藝（2nm）節點(diǎn)上正式落地。

至于三星電子，其主打的GAA工藝已經(jīng)在3nm節點(diǎn)上實(shí)現，在2nm工藝上將更加成熟。

這場(chǎng)半導體行業(yè)的內卷，越來(lái)越離譜了。

芯片大廠(chǎng)秀技術(shù)，新工藝挑戰摩爾定律極限

為何芯片大廠(chǎng)們都這么著(zhù)急2nm工藝？

簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，2nm節點(diǎn)可以算作開(kāi)啟芯片制造的一個(gè)新時(shí)代，誰(shuí)家技術(shù)好，自然吸引來(lái)的客戶(hù)就多。

這里不得不提2nm工藝的夸張——照臺積電的說(shuō)法，要在指甲蓋大?。?00mm²）的芯片上安裝490億個(gè)晶體管，這聽(tīng)上去就如同天方夜譚，但工程師們總能想出新辦法。

在臺積電的設想里，他們希望將晶體管像積木一樣堆疊起來(lái)，那么就能有效減少電路的占位面積，晶體管的密度或許就能翻倍。

這種工藝被稱(chēng)作nanosheet/nanowire（納米片/納米線(xiàn)）晶體管結構，早在2021年就被臺積電確定用在2nm節點(diǎn)。

我們可以用模型來(lái)描述這種結構：在最早的Planar工藝下，半導體材料像一張2D平面的白紙；到了FinFET時(shí)代，這張白紙被折成了3D的形狀（鰭（Fin）形），縮小了閘長(cháng)。而進(jìn)入堆疊時(shí)代，半導體材料像蓋樓一樣被堆疊起來(lái)，可以裝下更多晶體管。

除了解決晶體管密度問(wèn)題以外，新工藝另一個(gè)目的是為了解決高溫以及漏電（leakage）現象。

在2nm節點(diǎn)，集成電路的線(xiàn)寬接近電子波長(cháng)，精細程度幾乎達到了原子級別，理論上量子隧穿效應已經(jīng)來(lái)到物理極限。在這種情況下，電子很容易通過(guò)隧穿效應穿透絕緣層，使器件無(wú)法正常工作。

這樣的漏電不僅白白浪費了電能，還能引起芯片嚴重發(fā)熱，如果芯片設計商在設計環(huán)節繼續“翻車(chē)”，那么最終結果就是誕生出“火龍888”這樣高功耗的產(chǎn)品。

正是因為這樣的不確定性與各種悲觀(guān)，老邁的FinFET工藝已經(jīng)力不從心，被拋棄已經(jīng)是時(shí)間問(wèn)題。

目前來(lái)看，臺積電采用的nanosheet、英特爾主導的nanowire以及三星采用的GAA工藝（Gate-All-Around，全環(huán)繞柵極晶體管），本質(zhì)上都是堆疊工藝。

那么堆疊工藝效果究竟如何？

以目前較為成熟的三星GAA工藝為例，按照三星的說(shuō)法，同樣是7nm節點(diǎn)，GAA工藝可以將電壓下降至0.7V，并且能夠提升35%的性能、降低50%的功耗和45%的芯片面積，這還只是最初的實(shí)驗品，未來(lái)的量產(chǎn)型號將更加強悍。

圖 | GAA工藝下，工作電壓變化

而除了堆疊工藝外，類(lèi)似英特爾還押注了背面供電技術(shù)（PowerVia）。

顧名思義，背面供電就是將芯片上的電源線(xiàn)轉移到晶圓空置的背面，雖然熱度不及chiplet、3D堆疊，但背面供電的優(yōu)勢卻十分明顯，可以大幅應用硅片區域，同時(shí)電壓降低多達7倍。

對于“寸金寸土”的晶圓來(lái)說(shuō)，這項技術(shù)確實(shí)吸引力夠大。

除了結構以外，三家巨頭還在材料等方面帶來(lái)了各種奇思妙想的方案，其目的都是摩爾定律續命，為芯片發(fā)展繼續鋪路。

但無(wú)論哪種方案，這些所謂的下一代技術(shù)都需要真實(shí)的產(chǎn)品驗證，因此三家巨頭們都希望能第一個(gè)推出2nm工藝，及時(shí)搶占市場(chǎng)。

萬(wàn)事俱備，只欠金錢(qián)

雖然這些技術(shù)都在實(shí)驗室實(shí)現了，但是距離量產(chǎn)還有數不清的困難。其中最大的障礙是：錢(qián)。

目前一顆最先進(jìn)的芯片，究竟有多貴？近日，Revegnus在推特賬號上曝光了臺積電晶圓及先進(jìn)制程芯片代工價(jià)的表單，詳細列出了各類(lèi)制程工藝的代工報價(jià)。

從他發(fā)布的圖片來(lái)看，今年開(kāi)始量產(chǎn)的3nm芯片，每片晶圓報價(jià)高達19865美元（約合14.1萬(wàn)人民幣），相比5nm的13400美元，足足增長(cháng)了42.9%。

圖源：半導體行業(yè)觀(guān)察

而這只是晶圓成本，算上掩膜、封裝、測試等后期環(huán)節，一塊芯片的身價(jià)可謂越來(lái)越高。

擺在芯片代工廠(chǎng)面前的不止有物理上的摩爾定律，不為人知的摩爾第二定律也開(kāi)始凸顯出來(lái)：“新晶圓廠(chǎng)的成本每四年翻一番”。

按照臺積電的說(shuō)法，新建5nm工廠(chǎng)將需要至少投資300億美元，以美國鳳凰城5nm工廠(chǎng)為例，在政府巨額補貼下，臺積電仍需投資120億美元，即便后期能靠海運降低成本，但后續依然需要不小開(kāi)支。

除了技術(shù)突破和建廠(chǎng)，建造2nm的配套設施同樣價(jià)格不菲，比如光刻機、刻蝕機等等，例如一臺EUV光刻機的價(jià)格高達1.5億歐元，還不是有錢(qián)就能買(mǎi)到的。

此前，三星曾希望GAA工藝在3nm階段就打響名聲，但由于EUV光刻機的限制，芯片產(chǎn)能和速度都不夠快，因此只能做到每小時(shí)90片晶圓，而業(yè)內期望速度至少每小時(shí)125片，最終在良品率和效率面前，GAA工藝量產(chǎn)計劃被迫推遲。

目前來(lái)看，除了三星、臺積電和英特爾三家廠(chǎng)商以外，其他廠(chǎng)商已經(jīng)很難承受先進(jìn)制程下的高額成本。在這種情況下，其他芯片廠(chǎng)已經(jīng)不存在進(jìn)軍2nm的可能性了。

這里就不得不提一下目前日本網(wǎng)紅半導體企業(yè)Rapidus公司——這家被稱(chēng)作“半導體夢(mèng)之隊”的新企業(yè)不僅有8家日本頂級企業(yè)合資打造，同時(shí)號稱(chēng)已經(jīng)擁有了EUV光刻機。

但在最關(guān)鍵的資金上，這家公司卻依然等著(zhù)日本政府的補貼——據介紹，光是2nm的技術(shù)，確立就需要2萬(wàn)億日元，而籌備量產(chǎn)線(xiàn)還需要3萬(wàn)億日元，此外在招聘半導體人才上，又需要一大筆資金。

而8家日企共同出資不過(guò)73億日元(約 3.76 億元人民幣)，即使加上日本政府提供的700億日元(約36.05 億元人民幣)補助金作為研發(fā)預算，這樣的數額遠遠不夠。

因此日本想彎道超車(chē)2nm工藝，幾乎是不可能的任務(wù)。

一場(chǎng)行為藝術(shù)

總的來(lái)說(shuō)，2nm芯片的最終價(jià)格只會(huì )越來(lái)越高，對于消費者來(lái)說(shuō)，這可不是什么好消息。

目前來(lái)看，手機、顯卡是先進(jìn)制程的主要應用場(chǎng)景，而桌面級CPU、車(chē)機芯片等領(lǐng)域還在使用更為成熟的老工藝。

但這兩個(gè)行業(yè)恰恰處在下行周期，廠(chǎng)商們需要考慮如何提升銷(xiāo)量，搭載最先進(jìn)芯片的旗艦產(chǎn)品只是手段之一，想走量還是需要一些性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。

至于頭顯會(huì )是未來(lái)2nm芯片的主力軍嗎？大概率也難承擔起如此高昂的成本。

因此在內卷之下，2nm工藝不過(guò)是三巨頭的一次“行為藝術(shù)”罷了。

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