2nm情結(jié)

一輛載著印有“ASML”LOGO保護箱的卡車駛?cè)朊绹砝諏荩∣regon）的英特爾希爾斯伯勒（Hillsboro）園區(qū)。箱身上綁著紅繩，并系了蝴蝶結(jié)，里面是荷蘭ASML研制出的全球首臺高數(shù)值孔徑極紫外光刻機（High NA EUV）的一部分。

這是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)2nm工藝的光刻機，它的交付，意味著全球范圍內(nèi)的芯片“制程大戰(zhàn)”將會進入2nm階段。在當前臺積電領(lǐng)先、英特爾和三星加緊追趕的晶圓制造格局中，不論是想保持領(lǐng)先，還是想彎道超車，都將2nm視為競爭的“致命武器”。2nm果真能堪此重任么？隨著2nm之戰(zhàn)越來越近，有必要厘清業(yè)界的2nm情結(jié)。

得ASML者得2nm？

“如果單討論2nm工藝的實現(xiàn)，毫無疑問，ASML的0.55數(shù)值孔徑EUV光刻機是一切的先決條件?！睒I(yè)內(nèi)專家莫大康告訴《中國電子報》記者。

從縱向的晶圓生產(chǎn)流程來看，設(shè)備與硅片是晶圓生產(chǎn)活動的起點，優(yōu)先級高于光刻膠以及其他應(yīng)用于生產(chǎn)過程中的氣體材料。設(shè)備升級是實現(xiàn)2nm工藝節(jié)點飛躍的必要條件，而材料升級是錦上添花的部分。

從橫向的平替設(shè)備來看，極紫外光刻是成熟度最高的方式。在極紫外光刻之外，佳能全力押注納米壓印技術(shù)。不同于將光照直接打在掩模版上，并通過透鏡最終折射在晶圓上的極紫外光刻，納米壓印是將電路圖形通過“蓋章”的方式壓在晶圓上的一種技術(shù)路徑。佳能CEO御手洗富士夫曾表示，納米壓印單次光刻工序的成本為傳統(tǒng)光刻成本的二分之一。雖然納米壓印具有成本優(yōu)勢，但是由于其工藝存在一定特殊性，且對于制造環(huán)境的要求很高，加之當前還未出現(xiàn)量產(chǎn)的成功案例，想要通過納米壓印實現(xiàn)2nm還需時間檢驗。

2nm與EUV設(shè)備高度綁定，這幾乎是不爭的事實。因此，幾家晶圓代工企業(yè)必須和世界唯一的光刻機設(shè)備廠商ASML“搞好關(guān)系”。

1987年，臺積電剛剛成立，ASML還是飛利浦旗下的一家小公司。飛利浦以芯片技術(shù)換取了臺積電27.5%的股份。1988年，臺積電因為廠房遭遇大火，向ASML一口氣訂購了17臺光刻機，兩家企業(yè)從此建立聯(lián)系。在之后數(shù)十年的歲月中，ASML的新設(shè)備都會交付給臺積電，而臺積電也會將在晶圓廠積累的數(shù)據(jù)反饋給ASML。

2012年，三星以363億韓元購買了ASML3%的股份。2023年12月，三星電子董事長李在镕隨韓國總統(tǒng)尹錫悅訪問ASML總部，并宣布將與ASML共同投資1萬億韓元在韓國建立研究中心。

日本建立不久的Rapidus也頻繁向ASML示好，并派遣員工進入ASML學(xué)習(xí)，足以見其對光刻設(shè)備的重視。

英特爾早在2022年1月就宣布向ASML發(fā)出了第一份采購訂單，約定購買后者0.55數(shù)值孔徑的EUV光刻機。2024年，隨著ASML的訂單陸續(xù)交付給芯片制造廠和IDM，2nm將會進入“競速賽”的階段。

高良率量產(chǎn)是道坎？

先做出2nm意味著立于不敗之地嗎？答案當然是否定的。產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的并非2nm的生產(chǎn)，而是量產(chǎn)。早在2021年5月，IBM就已經(jīng)通過多重曝光技術(shù)實現(xiàn)了2nm工藝，這也是日本Rapidus派員去IBM學(xué)習(xí)其先進技術(shù)的主要原因。但是IBM的成果科研屬性強于商業(yè)屬性，換言之，它既沒有能夠生產(chǎn)2nm制程的光刻機，同時也不具備其他芯片制造廠量產(chǎn)2nm的資金和生產(chǎn)線，也就無法應(yīng)對未來持續(xù)增長的先進制程的需求。

量產(chǎn)之外，還有良率的問題需要晶圓廠考慮。

以目前臺積電和三星的3nm為例，其良率基本在60%-70%浮動，而如果到2nm階段，良率只可能更低。

“影響良率主要有三個因素，一是刻蝕精度，這個通過設(shè)備可以有效解決；二是硅片的缺陷密度，它與加工過程及材料等有關(guān)?！蹦罂当硎?，“重要的是隨著制程的升級，過小的尺寸容易伴生量子隧穿效應(yīng)，甚至是漏電現(xiàn)象。這會導(dǎo)致許多隨機誤差的出現(xiàn)，而晶圓廠憑借現(xiàn)有技術(shù)，也很難在短時間內(nèi)定位和消磨這些隨機性極強的誤差?！?/p>

目前，三星電子采用了GAA架構(gòu)來防止背面漏電，以求提升3nm的良率。英特爾在20A制程上采用了RibbonFET架構(gòu)，功能與GAA相似，這也是被視作在為未來的18A制程進行技術(shù)積累。而臺積電3nm仍然使用FinFET架構(gòu)，轉(zhuǎn)為GAA架構(gòu)可能要等到2nm之后。

三星電子晶體管結(jié)構(gòu)路線圖（圖片來源：三星電子）

不論是實現(xiàn)量產(chǎn)，還是通過新架構(gòu)提升良率，背后都牽扯到2nm的制造成本問題。

對于晶圓廠而言，量產(chǎn)2nm所需的設(shè)備成本和研發(fā)成本將一路走高，性價比則會降低。機構(gòu)預(yù)測，2nm晶圓片的價格約3萬美元，比3nm要貴50%。同時，由于良率較3nm更低，這將使晶圓廠承擔更多的次品壓力。

據(jù)悉，蘋果在3nm訂單中只向臺積電支付了質(zhì)量達標的那部分晶圓費用，進入2nm階段后，臺積電將不可避免承擔更大比例的次品成本。

雖然2nm無法為晶圓廠帶來立竿見影的經(jīng)濟收益，但從長期來看，率先實現(xiàn)2nm能夠帶來良好的品牌效益。

什么左右客戶的選擇？

芯片做得好不好最終還是以客戶的訂單量為準。而除了芯片本身的產(chǎn)量、良率、價格因素之外，客戶還有兩方面的顧慮。

一方面，越發(fā)先進的制程工藝帶來的不確定性增加了終端廠商的試錯成本。

蘋果是一家樂于“吃螃蟹”的企業(yè)。2023年，蘋果A17芯片率先采用了臺積電3nm工藝，而在同時期發(fā)布的高通驍龍8Gen3和聯(lián)發(fā)科天璣9300則采用臺積電4nm工藝。在智能手機市場，制程工藝逐漸成為終端廠商差異化競爭的指標之一，蘋果也將“率先使用最先進工藝”視作自身產(chǎn)品的一大賣點。

然而，在3nm中拔得頭籌的蘋果在消費者實際使用中卻出現(xiàn)了發(fā)熱現(xiàn)象，除了iPhone15所使用的鈦金屬手機外殼之外，也可能與臺積電3nm未使用GAA架構(gòu)有關(guān)。

另一方面，長久的深度合作拉高了終端廠商的技術(shù)遷移難度。

“這是工藝黏性的問題。芯片設(shè)計企業(yè)選擇某家代工廠，代表著雙方之間的技術(shù)融合已經(jīng)成功，而如果此時調(diào)換到其他代工廠，就意味著IP、EDA等技術(shù)都需要重新磨合，這要花費很長時間，同時由于制程越來越先進，遷移帶來的風(fēng)險也越大?！蹦罂当硎?。

目前，蘋果、英偉達、高通、AMD等設(shè)計企業(yè)都與臺積電建立了深度綁定的合作生態(tài)。根據(jù)臺積電2023年第三季度財報，智能手機和HPC領(lǐng)域的訂單占據(jù)了81%的營收占比。其中，智能手機領(lǐng)域環(huán)比增長率更是高達33%。

臺積電2023年第三季度各平臺營收情況（圖片來源：臺積電）

蘋果與臺積電的合作已有十余年，長期深度的合作關(guān)系無形中提升了客戶的遷移成本。不過，各芯片設(shè)計企業(yè)也在嘗試將產(chǎn)能需求分散給多家代工廠，以此削弱長期合作帶來的工藝黏性。

英偉達不止一次在公開場合透露了自己與英特爾合作的意愿。在2023年12月，英偉達首席財務(wù)官Colette Kress在接受采訪時表示：“臺積電一直是出色的公司，我們也請了三星代工相關(guān)芯片，當然，我們樂意見到第三家?！倍咄壳半m由臺積電獨家代工，也在觀望三星電子在GAA架構(gòu)不斷磨合之下的良率提升效果。

在2nm的競爭中，英特爾已經(jīng)獲得了擁有首臺高數(shù)值孔徑EUV光刻機先機；臺積電既有3nm量產(chǎn)經(jīng)驗，又有長期以來與客戶維持的緊密聯(lián)系；三星電子手握GAA架構(gòu)，不僅頻繁釋放良率提升的信號，還傳出今年第一季度其代工業(yè)務(wù)將降價10%-15%。未來的2nm之爭，以光刻機為起點，最后還是要落在客戶對高良率產(chǎn)品的信任之上。