2nm工藝研發(fā)要50億元，三大晶圓巨頭的拐點之戰(zhàn)，硅芯片的最后一戰(zhàn)？
先進(jìn)工藝生產(chǎn)出來的芯片性能更強(qiáng)大，能效也更好，但這也不是沒有代價的，最大的麻煩就是燒錢，不僅是3nm、2nm工廠建設(shè)需要200億美元以上的資金，哪怕是AMD、NVIDIA、蘋果、高通這樣的芯片設(shè)計公司，開發(fā)一款芯片的成本也會越來越高。
在前不久的IEDM會議上，Marvell公司公布了一些數(shù)據(jù)，援引IBS機(jī)構(gòu)分析了各個工藝下芯片開發(fā)成本，其中28nm工藝只要4280萬美元，22nm工藝需要6300萬美元，16nm工藝需要8960萬美元。
后面的先進(jìn)工藝開發(fā)成本就直線上漲，7nm需要2.486億美元，5nm需要4.487億美元，3nm需要5.811億美元，而2nm工藝需要的開發(fā)資金是7.248億美元，人民幣約合50億。
換句話說，如果某家公司想要自己搞一款先進(jìn)工藝芯片，比如2nm處理器，不說設(shè)計周期要幾年時間，光是投入的資金就得50億元。
還不算生產(chǎn)的費用，2nm代工價格現(xiàn)在還沒有，但是3nm工藝就要2萬美元以上了，漲價25%。照這樣發(fā)展下去，未來2nm的CPU及顯卡就算能做出來，成本也會一路上漲，在這個方向上已經(jīng)沒有退路了。
1、先進(jìn)制程市占率上升
不難看出，盡管如今半導(dǎo)體市場被成熟制程占據(jù)，但先進(jìn)制程舉足輕重。
隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，在先進(jìn)制程的發(fā)展之路上，荊棘重重。也因此，隨著技術(shù)研發(fā)難度越來越高，不少廠商開始選擇放棄先進(jìn)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(shù)追求腳步的不斷加速，近年來市場對于先進(jìn)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(jìn)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%。
臺積電2021年營收顯示，其主要的營收在于先進(jìn)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(dá)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(jìn)制程的研發(fā)。作為如今業(yè)內(nèi)唯二能制造出先進(jìn)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(jìn)制程的熱度只增不減。
此外，除了手機(jī)、電腦等傳統(tǒng)意義上先進(jìn)制程的典型應(yīng)用領(lǐng)域外，一些曾經(jīng)以成熟制程為主的應(yīng)用領(lǐng)域，如今也不難看到先進(jìn)制程的身影。例如，已有部分企業(yè)在規(guī)劃更先進(jìn)制程工藝的車規(guī)級芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達(dá)等，陸續(xù)發(fā)布7nm、5nm制程芯片。
2、2nm代表不了半導(dǎo)體的全部
毫無疑問，2nm制程已經(jīng)被龍頭半導(dǎo)體廠商們視為占領(lǐng)市場“制高點”的關(guān)鍵，然而，是否意味著擁有了2nm技術(shù)，就擁有了半導(dǎo)體制造業(yè)的控制權(quán)？
復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長周鵬表示，3nm、2nm甚至未來1nm先進(jìn)工藝制程在推進(jìn)的過程中，面臨的最大挑戰(zhàn)可能不在于技術(shù)研發(fā)，而在于成本。28nm節(jié)點下的芯片設(shè)計成本僅為5130萬美元，而7nm、5nm節(jié)點下的芯片設(shè)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(jī)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(jī)，但這并不意味著擁有過了光刻機(jī)就可以高枕無憂。
周鵬表示，光刻機(jī)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(shù)以及光源、掩模工具等技術(shù)均亟待優(yōu)化?！俺饪虣C(jī)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(shù)的開發(fā)，都是2nm制程研發(fā)過程中必須解決的技術(shù)難題?！敝荠i說。
可見，工藝制程的推進(jìn)同樣伴隨著成本的大幅增加，導(dǎo)致半導(dǎo)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(shù)就掌握了半導(dǎo)體制造的“制高權(quán)”，相比先進(jìn)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(guān)注，未來，需要在先進(jìn)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(quán)，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(jìn)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(dǎo)體行業(yè)的市場格局，因此，先進(jìn)工藝節(jié)點的研究對于代工廠商以及整個半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展都至關(guān)重要。無論未來先進(jìn)制程領(lǐng)域的引領(lǐng)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。”
3、三大晶圓巨頭的拐點之戰(zhàn)
現(xiàn)在能夠進(jìn)入10nm工藝以下的晶圓已經(jīng)只有三家了，分別是intel、臺積電、三星。
目前臺積電、三星已經(jīng)處在3nm階段，而英特爾還處在7nm階段，不過按照計劃，到2025年，這三大晶圓廠，都將進(jìn)入2nm。
當(dāng)然，這些都不重要，重要的是2nm工藝，或是三星、intel、臺積電三家的拐點之戰(zhàn)。
三星作為代工領(lǐng)域的千年老二，被臺積電壓了好多年，一直想報仇雪恨，翻身當(dāng)老大。為此三星在7nm、5nm、4nm、3nm上就一直發(fā)力，想要領(lǐng)先臺積電。
在3nm時，更是率先使用GAAFET晶體管技術(shù)，率先量產(chǎn)了3nm，想要壓臺積電一頭，不過可惜實力還是差了點點，所以在3nm時，還無法逆襲，但在2nm時，如果三星工藝好，良率高，還是非常有機(jī)會的。
至于intel，在工藝上被三星、臺積電壓了很多年后，也決定發(fā)展代工業(yè)，并拋出了一個“IDM 2.0”戰(zhàn)略，在該戰(zhàn)略中，英特爾對外開放自己的代工服務(wù)，同時擴(kuò)大采用第三方代工產(chǎn)能。
既然要對外代工了，那工藝就是最重要的生產(chǎn)力，于是intel計劃最快的速度追上臺積電、三星，要到2025年就實現(xiàn)2nm，甚至是1.8nm，與臺積電、三星PK，搶市場。
至于臺積電，當(dāng)了這么多年的老大，更加不愿意被其它廠商逆襲了，所以在2nm時，臺積電也計劃使用GAAFET晶體管技術(shù)，替代掉老掉牙的FinFET晶體管技術(shù)。
同時為了拉攏美國廠商，更是不惜將5nm、3nm工藝都要部分遷到美國，為的就是自己的地位鞏固，不至于被其它廠商搶了市場。
但很明顯，這三大廠商目前在2nm上，都是在較勁，誰能夠在2nm上脫穎而出，那么非常有可能在2nm時占據(jù)先機(jī)，爭得一席之地，所以2nm非常有可能是這三大廠商的拐點之戰(zhàn)，如果三星、intel表現(xiàn)突出，臺積電的地垃堪優(yōu)。
當(dāng)然，最為可惜的是，這三大巨頭在2nm上較勁，而我們的中芯、華虹沒資格參戰(zhàn)啊。中芯還在14nm，限于當(dāng)前的禁令，進(jìn)入10nm都不知道猴年馬月，別說2nm了，
而華虹公開的工藝還在55nm+，連40nm都沒進(jìn)入，離進(jìn)入10nm更是十萬八千里，2nm就更加別想了，只能搬根凳子看戲。
不知道大陸的晶圓廠，何時能夠與這三大巨頭比一比工藝，那就真的完美了。
4、硅芯片的最后一戰(zhàn)？
2nm或許是如今硅芯片領(lǐng)域的最后一戰(zhàn)，也是關(guān)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(jī)，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(dǎo)體領(lǐng)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(shù)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(jìn)的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，用于生產(chǎn)納米片晶體管（GAAFET）架構(gòu)的2nm芯片，預(yù)計在2025年量產(chǎn)。據(jù)了解，高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)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(jī)。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。
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(jī)，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(yù)判。
