2nm競爭拉開帷幕 成本控制成最大挑戰

儘管絕大部分半導體市場都被成熟製程佔據，多數應用領域並不需要用到更先進的2nm工藝，但各企業還是競相追逐先進製程，甚至近日傳出日美兩個半導體大國要聯合研發2nm芯片的消息。「2nm現象」，值得深思。

先進製程市佔率上升

不難看出，儘管如今半導體市場被成熟製程佔據，但先進製程仍舉足輕重。

隨着摩爾定律的繼續推進，在先進製程的發展之路上，荊棘重重，這使得不少廠商開始選擇放棄先進製程的競爭，徹底投身於成熟製程的研發。例如，晶圓代工廠格芯曾在2020年公開表示放棄7nm以下工藝的競爭。

然而，隨着人們對新興技術追求腳步的不斷加速，近年來市場對於先進製程的熱度有增無減，且市佔率不斷飆升。

IC Insights數據顯示，2019年，10nm以下先進製程芯片的市佔率僅為4.4%，到2024年其比例將增長到30％，而10nm～20nm製程的市佔率將從38.8%下降到26.2%，20nm～40nm製程的市佔率將從13.4%下降到6.7%。

臺積電2021年財報顯示，其在7nm及以下製程芯片的營收佔2021年全年營收的50%。此外，臺積電在其法説會上表示，其資本支出中的80%將用於3nm、5nm及7nm等先進製程芯片的研發。作為如今業界「唯二」能製造出先進製程芯片的晶圓代工廠商之一，其營收情況以及資本支出可以表明，市場對於先進製程的熱度只增不減。

此外，除了手機、電腦等傳統意義上先進製程芯片的典型應用領域外，一些曾經以成熟製程芯片為主的應用領域，如今也不難看到先進製程芯片的身影。例如，已有部分企業在規劃更先進製程工藝的車規級芯片，如芯擎科技、恩智浦、高通、英偉達等，將陸續發佈7nm、5nm製程芯片。

硅芯片的最后一戰？

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，隨着臺積電、三星奮力尋求ASML高數值孔徑極紫外光刻機，也開始打響。

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，由於石墨烯等新材料仍處於起步階段，短時間內難以在半導體領域替代硅材料。因此，將2nm製程視為硅芯片的最后一戰，幾乎成爲了業內共識。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」。

臺積電在6月17日舉行的技術論壇上首次披露，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，用於生產納米片晶體管（GAAFET）架構的2nm芯片，預計在2025年量產。據瞭解，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170%，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芯片將於2025年量產。不難看出，三星也在為3年后的2nm芯片量產蓄力。

儘管量產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，也意味着作為硅芯片的最后一戰——2nm之戰已經打響。而究竟誰將是最后的贏家，還難以預判。

成本控制挑戰最大

毫無疑問，2nm製程已經被龍頭半導體廠商們視為佔領市場制高點的關鍵，然而，是否意味着擁有了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先進工藝製程在推進的過程中，面臨的最大挑戰可能不在於技術研發，而在於成本。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着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，但這並不意味着擁有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製程的精度，但在2nm的製程工藝上，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。「除光刻機外，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製程研發過程中必須解決的技術難題。」周鵬説。

可見，工藝製程的推進同樣伴隨着成本的大幅增加，導致半導體制造企業帶來的投入回報比可能並沒有想象中豐碩。因此，不能斷言掌握2nm技術就掌握了半導體制造的控制權。相比先進工藝製程帶來的密度、功耗等性能優勢，直線上升的製造成本更值得關注。未來，需要在先進工藝的研發製造與成本支出之間找到一個平衡點，而這也並非易事。

周鵬表示：「摩爾定律每個工藝節點的突破，對於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於代工廠商以及整個半導體行業的發展都至關重要。無論未來先進製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。」