原創 沈叢 中國電子報 2022-08-06 11:03 發表于北京
盡管絕大部分半導體市場都被成熟制程占據，多數應用領域并不需要用到更先進的2nm制程，但各企業還是競相追逐，甚至近日傳出日美兩大半導體大國要聯合研發2nm芯片的消息?！?nm現象”，值得深思。不難看出，盡管如今半導體市場被成熟制程占據，但先進制程舉足輕重。隨著摩爾定律的不斷發展，在先進制程的發展之路上，荊棘重重。也因此，隨著技術研發難度越來越高，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。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數據顯示，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%。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。作為如今業內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。此外，除了手機、電腦等傳統意義上先進制程的典型應用領域外，一些曾經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，已有部分企業在規劃更先進制程工藝的車規級芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達等，陸續發布7nm、5nm制程芯片。2nm或許是如今硅芯片領域的最后一戰，也是關鍵一戰。而這一戰，隨著臺積電、三星奮力尋求ASML高數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，幾乎成為了業內共識。因此，全球所有的芯片大國和行業霸主，都在暗自較勁，要在2nm上“背水一戰”。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最先進的高數值孔徑極紫外光刻機，用于生產納米片晶體管（GAAFET）架構的2nm芯片，預計在2025年量產。據了解，高數值孔徑極紫外光刻機具備更高的光刻分辨率，能夠將芯片體積縮小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。不難看出，三星也在為3年后的2nm芯片量產蓄力。盡管量產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——2nm之戰已經打響。而究竟誰將會是最后的“贏家”，還難以預判。毫無疑問，2nm制程已經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，面臨的最大挑戰可能不在于技術研發，而在于成本。28nm節點下的芯片設計成本僅為5130萬美元，而7nm、5nm節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，但高昂的投入也不意味著能順利換來芯片的量產。以光刻機為例，臺積電和三星為量產2nm芯片花重金購買了ASML的高數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，高數值孔徑的EUV技術以及光源、掩模工具等技術均亟待優化?！俺饪虣C外，互聯金屬電阻的惡化、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，都是2nm制程研發過程中必須解決的技術難題?！敝荠i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”中，很難有企業獲得最終的控制權，最終能站在制高點的企業也寥寥無幾，但這也并不意味著先進制程的研發并無意義。周鵬表示：“摩爾定律每個工藝節點的突破，對于集成電路產業的發展都具有非凡的意義，也勢必改變整個半導體行業的市場格局，因此，先進工藝節點的研究對于代工廠商以及整個半導體行業的發展都至關重要。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以及享用高性能電子產品的每一個人?！?/span>
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