芯片先進(jìn)制程之爭：2nm戰(zhàn)況激烈，1.8/1.4nm苗頭顯露

相比成熟制程，近年隨著AI、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用驅(qū)動，先進(jìn)制程成為了業(yè)界“香餑餑”。細(xì)觀晶圓代工產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)，從研發(fā)、爭搶先進(jìn)設(shè)備、再到搶單，臺積電、三星、英特爾等大廠動作不斷，同時新軍Rapidus正強(qiáng)勢入局，可見先進(jìn)制程之戰(zhàn)已悄然打響，并愈演愈烈。

從搶單開始，2nm戰(zhàn)況如何？

隨著GPU、CPU等高性能芯片不斷對芯片制程提出了更高的要求，突破先進(jìn)制程技術(shù)壁壘已是業(yè)界的共同目標(biāo)。目前放眼全球，掌握先進(jìn)制程技術(shù)的企業(yè)主要為臺積電、三星、英特爾等大廠。

據(jù)TrendForce集邦咨詢12月6日研究顯示，2023年第三季全球前十大晶圓代工市場中，臺積電以57.9%的市占率占據(jù)全球第一的位置，而三星以12.4的市占率位居全球第二，英特爾（IFS）位居全球第九位，市占率為1%。

多年來，臺積電一直是晶圓代工產(chǎn)業(yè)的半壁江山，同時還手握著英偉達(dá)、蘋果、高通等下游廠商多數(shù)訂單，并成為人工智能芯片供應(yīng)商的主要純晶圓代工合作伙伴。其中，按英偉達(dá)此前披露的營收計(jì)算，臺積電是全球最大的芯片代工制造商，也是英偉達(dá)高性能AI芯片的獨(dú)家生產(chǎn)商。

不過，業(yè)界推測，接下來英特爾或?qū)⒋蚱飘?dāng)下臺積電獨(dú)家代工英偉達(dá)高性能AI芯片的狀況。英偉達(dá)首席財(cái)務(wù)官柯蕾絲（Colette Kress）近日在參加瑞銀全球科技大會時暗示，英偉達(dá)不排除增加英特爾代工（IFS）作為其晶圓代工供應(yīng)商，生產(chǎn)新一代芯片。

而近期臺積電和三星也是動作頻頻。臺積電先是向蘋果和英偉達(dá)展示產(chǎn)品測試結(jié)果，后又拿下了蘋果訂單。據(jù)英國金融時報引述知情人士透露，臺積電已向蘋果和英偉達(dá)等大客戶展示N2（即2nm）原型的制程工藝測試結(jié)果。

另據(jù)中國臺灣工商時報報道，在全球芯片大廠爭相發(fā)展2納米制程之際，臺積電再度勝出搶下蘋果訂單，預(yù)計(jì)2025年上市的iPhone 17 Pro將率先采用臺積電2納米芯片。

此外，近日臺媒引述消息人士稱，英偉達(dá)已向臺積電下單銷往中國大陸的人工智能處理器，這些訂單是SHR (Super Hot Run，超級急件)，計(jì)劃于2024年第一季度開始履行。

三星方面，消息稱三星已拿到了高通的訂單，高通已計(jì)劃下一代高端手機(jī)芯片采用三星SF2（2nm）制程生產(chǎn)。同時，三星將推出2nm原型，并開出折扣價，以吸引英偉達(dá)等客戶。

針對三星在2nm制程采降價搶單的傳聞，臺積電董事長劉德音向業(yè)界表示“客戶還是看技術(shù)的質(zhì)量”，透露出對臺積電先進(jìn)制程技術(shù)與良率優(yōu)勢的信心。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露臺積電即將敲定其未來3nm和2nm客戶，客戶不太可能轉(zhuǎn)移訂單。除了蘋果之外，AMD、英偉達(dá)、博通、聯(lián)發(fā)科和高通也是臺積電3nm和2nm芯片的客戶。這些主要客戶不太可能在2027年之前減少臺積電3nm和2nm晶圓的開工量。

與此同時，日本半導(dǎo)體初創(chuàng)公司Rapidus將為加拿大公司代工2nm AI芯片。11月16日，Rapidus與加拿大初創(chuàng)芯片公司Tenstrent在美國交換商業(yè)諒解備忘錄，前者將為后者代工AI芯片。Rapidus的目標(biāo)是在2027年在日本國內(nèi)量產(chǎn)2nm制程芯片，目前正尋求產(chǎn)業(yè)鏈的合作。

2nm關(guān)鍵設(shè)備EUV，廠商“搶瘋了”

隨著EUV光刻機(jī)在7nm以下制程的重要性日益增強(qiáng)，半導(dǎo)體大廠與ASML的合作也變得更加頻繁和緊密。目前臺積電與三星都在使用EUV設(shè)備進(jìn)行制造，包括臺積電7nm、5nm、3nm制程，三星于韓國華城建置的EUV Line (7nm、5nm及4nm)、以及3nm GAA制程等。在2nm制程上，臺積電、三星、英特爾、Rapidus都已接洽ASML，其目的正是為了能使2nm制程量產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，即ASML手中最新的High-NA EUV光刻機(jī)。

ASML是一家全球最大的光刻機(jī)制造商，也是唯一一家EUV光刻機(jī)制造商。據(jù)悉，ASML，計(jì)劃在2023年底前發(fā)表首臺商用High-NA （NA=0.55） EUV光刻機(jī)，并在2025年量產(chǎn)出貨，其數(shù)值孔徑NA將從0.33提高到0.55，這一技術(shù)進(jìn)步將使得芯片制造商能夠利用超精細(xì)圖案化技術(shù)來制造2nm及以下更先進(jìn)制程的芯片。

ASML計(jì)劃在2024年生產(chǎn)10臺High-NA EUV光刻機(jī)，未來幾年ASML計(jì)劃將此類芯片制造設(shè)備產(chǎn)能提高到每年20臺，據(jù)業(yè)界預(yù)估，High-NA EUV光刻機(jī)曝光季將會有五大客戶，包括英特爾、臺積電、三星、美光等。

其中，三星正準(zhǔn)備確保下一代High-NA EUV光刻機(jī) 的產(chǎn)量，預(yù)計(jì)這款設(shè)備將于今年晚時推出原型，明年正式供貨。值得注意的是，ASML于今年12月中旬與三星電子簽署備忘錄，將共同投資1萬億韓元在韓國建立研究中心，并將利用下一代極紫外（EUV）光刻機(jī)研究先進(jìn)半導(dǎo)體制程技術(shù)。據(jù)悉，三星電子將在五年內(nèi)從ASML采購50套設(shè)備，每套單價約為2000億韓元，總價值可達(dá)10萬億韓元。

英特爾將于今年年底導(dǎo)入ASML High-NA EUV光刻機(jī)，用在Intel 18A 制程，據(jù)悉英特爾已采購其中6臺。英特爾強(qiáng)調(diào)，有了High-NA EUV光刻機(jī)，理論上可實(shí)現(xiàn)“四年五節(jié)點(diǎn)制程”目標(biāo)。

Rapidus決定在2024年年底引入EUV光刻機(jī)，并將派遣員工赴荷蘭ASML學(xué)習(xí)EUV極紫外光刻技術(shù)，同時，ASML此前也決定在日本北海道千歲市設(shè)立技術(shù)支援部門，就近支持Rapidus芯片工廠。今年以來，Rapidus一直在與IBM、ASML、IMEC等公司合作，目標(biāo)是今年派遣100名員工至IBM、ASML學(xué)習(xí)先進(jìn)芯片技術(shù)。截至目前，該公司已雇傭了約300名員工。

Rapidus正在北海道建設(shè)芯片工廠，計(jì)劃于2027年量產(chǎn)2nm制程芯片。Rapidus第一座工廠“IIM-1”已在2023年9月動工，試產(chǎn)產(chǎn)線預(yù)計(jì)2025年4月啟用，2027年開始量產(chǎn)。該公司表示，在正式量產(chǎn)前，將確保招募1000名員工。

值得一提的是，臺積電于今年9月宣布收購將以不超4.328億美元的價格收購英特爾旗下子公司IMS，后者專注于研發(fā)和生產(chǎn)電子束光刻機(jī)。業(yè)界認(rèn)為臺積電此舉可確保關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)開發(fā)，并滿足2nm商用化的供應(yīng)需求。針對2nm制程所用設(shè)備，臺積電還將延續(xù)使用EUV光刻機(jī)。

2nm未見果，1.8/1.4nm現(xiàn)身影

今年，先進(jìn)制程動態(tài)不斷，尤其是3nm、2nm等最先進(jìn)制程。從共同點(diǎn)來講，大廠們的目標(biāo)無非是為了突破芯片技術(shù)壁壘，占領(lǐng)新技術(shù)高地，從而拿下更多市場份額。

此前晶圓代工廠商2nm以下制程的研發(fā)時間線曝光于公眾視野時，就曾引起轟動，業(yè)界激烈討論的重點(diǎn)仍是，該技術(shù)的進(jìn)步是否能帶來更好的性能和良率等問題，而也正因此2nm以下制程技術(shù)的熱度一直居高不下。

筆者針對臺積電、英特爾、三星、Rapidus芯片制程研發(fā)進(jìn)行了最新跟蹤：臺積電1.4nm開發(fā)順利；英特爾1.8nm 18A工藝研發(fā)完成；三星計(jì)劃于2027年進(jìn)入1.4nm半導(dǎo)體制程技術(shù)領(lǐng)域；Rapidus正在構(gòu)建1nm芯片產(chǎn)品的供應(yīng)體制。

臺積電在IEEE國際電子器件會議（IEDM）的“邏輯的未來”小組上透露，臺積電1.4nm級制造技術(shù)的開發(fā)進(jìn)展順利進(jìn)行。據(jù)SemiAnalysis的Dylan Patel發(fā)布的幻燈片指示，臺積電的1.4nm生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)正式命名為A14。不過關(guān)于A14量產(chǎn)時程及其規(guī)格，臺積電暫未披露更多信息，但鑒于N2計(jì)劃于2025年末、N2P計(jì)劃于2026年末，業(yè)界猜測A14會在此之后2027-2028年間推出。

關(guān)于臺積電是否會采用垂直堆疊互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管（CEFT）結(jié)構(gòu)，或是沿用2nm制程將采用的環(huán)繞柵極場效應(yīng)晶體管（GAAFET），以及臺積電是否會在2027年至2028年期間為其A14工藝技術(shù)采用高數(shù)值孔徑EUV（High NA EUV）光刻機(jī)，目前仍尚不清楚。

英特爾方面，英特爾CEO帕特·基辛格在Intel Innovation Day論壇表示，Intel 18A制程目前有許多測試晶圓正在生產(chǎn)中，這一技術(shù)已經(jīng)研發(fā)完成，正加速進(jìn)入生產(chǎn)階段。

據(jù)介紹，Intel 18A節(jié)點(diǎn)（1.8nm）由于尺寸進(jìn)一步縮小，需采用RibbonFET晶體管，使用GAA全環(huán)繞柵極架構(gòu)，類似多片納米片堆疊在一起，這樣不僅能夠縮小尺寸，而且柵極能夠更好地控制電流的流通，同時在任意電壓下提供更強(qiáng)的驅(qū)動電流，讓晶體管開關(guān)的速度更快，從而提升晶體管的性能。

基辛格表示，英特爾定下的“4年推進(jìn)5代制程”目標(biāo)正在穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)，希望在2025年重新奪回半導(dǎo)體生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)者地位，超越臺積電、三星。

英特爾稱Intel 18A制程不會僅供內(nèi)部使用，未來也將為愛立信等外部客戶代工晶圓。此前基辛格于10月末透露，Intel 18A制程已于Q3敲定了三家晶圓代工客戶，預(yù)計(jì)年底有望簽下第四家。此外，用于下一代服務(wù)器、PC處理器的Intel 3制程技術(shù)，目前正在“除錯”階段，預(yù)計(jì)2024年即可投產(chǎn)。

從英特爾制程研發(fā)路線看，Intel 7制程技術(shù)已大量生產(chǎn)，Intel 4制程也已經(jīng)量產(chǎn)，Intel 3制程準(zhǔn)備開始量產(chǎn)，Intel 20A制程將如期于2024年量產(chǎn)，Intel 18A制程將是5代制程目標(biāo)的終極制程，已確定相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)則，將于明年下半年量產(chǎn)。

三星方面，一直以來，三星在努力確保能采購更多EUV光刻機(jī)，目標(biāo)是希望能在2024年上半年進(jìn)入第二代3納米制程技術(shù)，在2025年年底前推出2nm制程，2027年年底之前推出1.4nm制程。

三星是首家跨入并轉(zhuǎn)型環(huán)繞式柵極（GAA）晶體管架構(gòu)的公司，三星希望從SF3進(jìn)展至SF2會相對流暢。三星旗下晶圓代工部門Samsung Foundry首席技術(shù)官Jeong Ki-tae表示，GAA結(jié)構(gòu)晶體管是一項(xiàng)可持續(xù)的技術(shù)，此前的FinFET鰭式晶體管很難進(jìn)一步改進(jìn)。他還透露，三星正在與大客戶就即將推出的2nm、1.4nm制程工藝進(jìn)行談判。

Rapidus方面，據(jù)報道，Rapidus、東京大學(xué)與法國半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Leti合作，將研發(fā)1nm級別芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技術(shù)，將在2024年開展人才交流、技術(shù)共享。Rapidus將利用Leti的技術(shù)，構(gòu)建1nm芯片產(chǎn)品的供應(yīng)體制。

報道指出，他們的共同目標(biāo)是確立設(shè)計(jì)開發(fā)線寬為1.4nm~1nm半導(dǎo)體所需的基礎(chǔ)技術(shù)。這一節(jié)點(diǎn)需要與傳統(tǒng)不同的晶體管結(jié)構(gòu)，Leti在該領(lǐng)域的成膜等關(guān)鍵技術(shù)上占優(yōu)。

結(jié)語

在2nm及以下先進(jìn)制程的競爭中，雖然研發(fā)最終成果還未具體披露，但從搶單、購買先進(jìn)設(shè)備等動作也可見，各大廠已經(jīng)在為日后未雨綢繆。叢上述披露的時間線來看，針對2nm制程的研發(fā)答案將于2025年揭曉，但更先進(jìn)制程的戰(zhàn)斗仍在繼續(xù)，未來技術(shù)如何演變？我們拭目以待。