2纳米，三巨头的最后一战
作者： 荣智慧
2纳米是硅芯片的“最后一战”。
晶体管越来越小，硅芯片已经逼近工艺极限。2纳米之后，石墨烯等碳材料可能取而代之。
先进制程，三分天下。台积电、三星和英特尔，一齐向2纳米量产发动总攻。
日前，台积电向两大客户苹果、英伟达展示了2纳米原型芯片测试结果。三星宣布降价提供2纳米原型，挖挖墙角。
英特尔实力最弱，口号最响，作为唯一的美国公司，它要在2025年“重回领导地位”，“令美国再次伟大”。
三星的密谋
“追上台积电，三星电子计划2025年开始量产2纳米芯片”，2023年6月《韩国经济》报道。
当时，三星正于美国加利福尼亚州硅谷举办“2023三星晶圆代工论坛”，不仅公布了2纳米半导体量产和应用时间表，还宣布2026年将该芯片用在高性能计算产品上，2027年扩展到汽车领域。
“五年赶超台积电。”
这一使命要追溯到2009年。三星最高经营决策会议秘密通过一项计划—“干掉台湾”（Kill Taiwan），头号目标台积电。
靠薪水翻倍的条件，三星挖走台积电好几十人，包括技术骨干梁孟松。
那一阵子台积电过得也不好。2006年，研发副总裁蒋尚义退休。2007年量产45纳米后，40纳米的良品率始终低位徘徊，加上2008年金融危机，半导体市场大幅萎缩。
2009年，退休四年的台积电创始人张忠谋决心重掌台积电。他请回退休三年的蒋尚义，第一个要求就是“把公司新增的10亿美元研发经费尽快花出去”。
张忠谋的心头大患是干了17年的“老员工”梁孟松，蒋尚义的学生，曾长期担任台积电先进制程处处长。2003年，台积电以自主技术130纳米“铜工艺”击败IBM，梁孟松的功劳仅次于蒋尚义。后来，他们的恩怨延续到中芯国际。
梁孟松给三星带来一大批FinFET（鳍式场效晶体管）人才，三星与台积电的技术差距快速缩短；更抢在台积电之前，率先量产了14纳米制程，吸引了苹果、高通等大客户。
张忠谋发起“夜莺计划”，组建了一支300人以上的研发队伍，24小时不间断地攻坚下一代10纳米制程。从10纳米开始，台积电又占上风。
2022年6月30日，三星宣布3纳米芯片量产，全球第一家。而且，它首次采用GAAFET（全环绕栅极场效晶体管）工艺，取代了主流的FinFET结构—相比后者，GAA结构可以更精确地减少漏电损耗，降低功耗。
量产3纳米的一个多月前，美国总统拜登刚刚参观过韩国首尔以南70公里外的三星平泽厂。通过向拜登展示3纳米芯片，三星亮出了“超越”台积电的实力。
拜登刚走，三星公开巨额投资计划：未来五年，将在芯片、生物科技领域投资3550亿美元，差不多是2.5万亿人民币。自2014年启动的中国国家大基金计划，一二期不到2500亿元，三期3000亿元，加起来算5500亿元，也仅有该计划的五分之一。
光拜登参观的平泽园区厂，总投资超过240亿美元，比国家大基金一期的规模还大。
新手要冒险，“老大”要稳健。
在三星最新的详细路线图中，除了2025年量产2纳米外，也计划把GAA工艺制造的芯片扩展到3D封装。三星已在半导体业务部门内组建先进封装（AVP）业务团队。
到2027年，三星将如期量产1.4纳米。
稳健台积电
台积电的市场份额接近六成，一向不喜欢评论对手。
同样是2023年6月，台积电也放出风声：旗下2纳米技术进度比预期好，能实现2024年试产、2025年量产的目标。消息人士透露，台积电将召集千人以上的研发团队，在台湾竹科宝山晶圆20厂率先量产2纳米。
2纳米芯片，一片报价逼近2.5万美元，比3纳米不到2万美元的单价上涨超30%—先进制程领域，台积电拥有“天价”定价权和超40%的高昂净利润率。只有主打成熟制程的美国德州仪器，净利润率与之接近。
天价也是真金白银砸出来的。台积电2022年研发费用达到54.72亿美元，10年间增长约4倍，投资现金流达399亿美元，增长也超过4倍。
虽然三星抢先量产了基于GAA的3纳米芯片，但低良率也成了它赶超台积电的高昂代价。量产初期，三星3纳米良率只有20%。持续改进后，良率也仅在60%上下徘徊。
新手要冒险，“老大”要稳健。
台积电在2纳米制程才引入GAA晶体管、背面供电和超高性能电容器等多项新技术。
“挑大梁”的GAA，是2纳米以下制程必须采用的结构。
过去晶体管是长的，采用平面结构。过去10年，也就是自英特尔在22纳米上采用FinFET以来，像鱼鳍一样的3D结构就成了主流。台积电的3纳米也不例外。
通电时打开、不通电时关闭—半导体靠这种方式进行计算，由栅极的调节阀控制是否通电。FinFET结构是在电流通道的四个侧面中，栅极堵住三个方向。
半导体越来越小，栅极也变得特别小，控制能力就减弱了。一旦小于2纳米，没有栅极的地方漏电增加，导致电力浪费，性能难以提高。GAA就是把过去竖着像鱼鳍的器件横过来，四个方向都有栅极围住，还能多并置几个。
当然，GAA的技术难度也相应增大。由于EUV光刻机的限制，只能做到每小时90片晶圆，而业内期望速度至少每小时125片，当下很难达到良品率和效率并存的效果。
目前，对外公开结构、2纳米节点迭代而造成密度与性能变化等信息，台积电是唯一一家。
2022年技术研讨会上，台积电提到，和上一代工艺相比，在相同功耗、相同晶体管数量的情况下，2纳米工艺能够带来性能方面10%—15%的提升；或者同频率与复杂度下功耗25%—30%的下降；晶体管密度提升1.1倍。
一颗典型芯片，包含50%的逻辑电路、30%的SRAM单元，以及20%的模拟电路。而晶体管密度提升，特指逻辑电路。不同工艺节点之间，模拟和存储电路的器件尺寸微缩速度，一般总是慢于逻辑电路的。单看逻辑电路的数据，1.1倍不算很理想。
2023年研讨会上，该数字更新为大于1.15倍，证明工艺还在持续改进之中。
相比之下，三星和英特尔都没有公布什么详细的信息。三星说其2纳米芯片性能提高了12%，功率提高了25%，面积减少了5%。英特尔只是说Intel 20A相比Intel 3有15%的每瓦性能提升。
拼在毫厘之间
量产3纳米，仅有台积电和三星。英特尔和它们还有几代的差距。
假如只看晶体管密度，台积电和三星在绝对值上“遥遥领先”。这也说明了英特尔的20A为何最先于2024年量产—靠“命名”实现错位竞争。根据IC Knowledge的数据，20A晶体管密度小，也就更好制作。
自从7纳米与5纳米时代被台积电和三星赶超，英特尔就改变了迭代策略，闭口不谈“几纳米”。2023年2月，英特尔在战略媒体沟通会再度确认20A“测试芯片已流片”。目前爱立信已宣布采用其1.8纳米制程工艺来定制5G芯片。
各家Foundry的工艺名称都不一样，英特尔20A，台积电N2，三星2GAP，怎么称呼都有，也不代表晶体管或器件的实际物理尺寸。
关键是，三家的2纳米，都没有特别具体的定义曝光，我们也不能认为这三者一定是同代工艺。
先进制程拼的，只在“毫厘之间”。
一台EUV光刻机价格高达1.5亿欧元，有钱也不一定买得到。除了三巨头，其他厂商很难承受如此巨大的成本—几乎不存在制造2纳米的可能性了。
谁先量产，谁就有先进芯片市场的定价权，谁就有更丰厚的利润空间和更大的竞争优势，以及更广阔的发展空间。
二十年来，倒在晶体管上的企业如过江之鲫。截至2002年/2003年，当时制造最先进130纳米的半导体企业，共有26家，包括10家日企。等到2010—2012年，涉足28—32纳米的企业总数减少至10家，没有一家日企。
日本不甘心掉队，去年组建了半官半民的半导体公司Rapidus，直接冲击2纳米，找回“失去的十年”。
Rapidus由丰田、索尼、NTT、NEC、软银、电装、铠侠、三菱UFJ这8家日企出资73亿日元（约3.76亿人民币）设立，日本政府也提供700亿日元（约36.05 亿元人民币）补助，作为研发预算。
Rapidus的目标是，2027年量产2纳米。今年以来，它已经和美国IBM、荷兰阿斯麦、加拿大初创企业Tenstorrent达成深度合作。
日本忽然发力，借了美国《芯片法案》的东风，据悉“有钱也买不到”的EUV光刻机已经到手。
而《芯片法案》能给日本带来多少实惠，很难说。一年半过去了，第一个拿到补贴的是美国国防承包商BAE Systems，金额约3500万美元—它是给F-15和F-35战斗机以及卫星、其他防御系统造芯片的。其他公司可没有这么硬的来头，还得排队等。
至于《通胀削减法案》里关于电动车的补贴，最近也是小道消息满天飞。据说特斯拉可能拿不到每辆7500美元的补贴。
还是回到钱上。
日本业界估算，2纳米的背后大约需要2万亿日元，筹备量产线还需要3万亿日元。招聘半导体人才上，又需要一大笔资金。现在投资的773亿日元（还没有到位），和砸硬件所需的5万亿差得实在太多。
为什么要抢先进制程？不光因为技术强，更因为值钱。
Omdia预测，以2026年为基准，整个晶圆代工市场将达1879亿美元，而5纳米以下市场将达645亿美元，占比34%。
2纳米主要应用在PC服务器、GPU（图形处理器）和手机SoC（系统级芯片）上。谁先量产，谁就有先进芯片市场的定价权，谁就有更丰厚的利润空间和更大的竞争优势，以及更广阔的发展空间。