【芯观点】全球抢跑2nm！理想何时才能照进现实？

集微网报道，当世界的目光都聚焦在28nm扩产的时候，蓝色巨人IBM带来了先进工艺的好消息。

5月7日，IBM公司宣布其在芯片制程工艺上取得重大突破，声称其已打造出全球首个2nm芯片制造技术。2nm芯片的到来，无疑是半导体研发再创新的里程碑。事实上，除了IBM入局之外，各国的2nm竞赛早已点燃。

全球抢跑2nm

在2nm的抢跑赛中，较为积极的是欧盟和日本。

欧盟在2nm方面可谓雄心勃勃。去年12月，19个欧盟成员国签署了一项联合声明，以“加强欧洲开发下一代处理器和半导体的能力”进行合作。其中包括为各行各业的特定应用提供最佳性能的芯片和嵌入式系统，以及向处理器技术的2nm节点发展的领先制造技术。此外，今年3月初，欧盟委员会提出数字化转型新目标，其中一个目标就是：到2030年，欧洲先进和可持续半导体的生产总值至少占全球生产总值的20%，生产能力冲刺2nm，能效达到今天的10倍。

日本在2nm方面也不甘人后。今年1月，消息称日本正与台积电一起建立先进的IC封装和测试工厂。据3月台媒消息，中国台湾半导体研究中心（TSRI）开始与日本产业技术总合研究所（AIST）合作，开发新型晶体管结构。日本媒体指出，这有助于制造2nm及更先进制程芯片，他们计划将合作成果应用在2024年后的新一代先进半导体当中。而2024年正是台积电2nm制程的量产年。

除了政府方面有所行动外，全球如今唯二的先进制程晶圆厂台积电和三星同样为此你追我赶。具体来看，“头号种子选手”台积电在3nm和2nm制程方面相对于三星的领先优势很明显。2019年6月份，台积电正式宣布启动2nm制程研发，并成立研发团队。依据官方说明，台积电在2nm制程上将采用以环绕式栅极技术（GAA）为基础的MBCFET架构，计划于2023年下半年进行风险性试产，于2024年量产。今年3月，一份来自中国台湾的调研报告显示，苹果正与台积电联合推动2nm芯片研发，而后者目前正在准备相应的工厂场地。

反观三星方面，虽然抢先宣布了3nm GAA工艺，但关于2nm，却还没有公布较为权威的官方消息。但目前可参考的是，相比于台积电在3nm制程仍采用FinFET技术，三星在3nm制程就率先采用了GAA 技术，并且大概率也将延续到2nm制程上。与台积电相比，三星未来或将在GAA技术有更成熟的经验。

从政府角度看，欧盟和日本入局2nm主要是为了振兴本国半导体产业；而对于晶圆厂而言，抢跑2nm即是为了争夺先进晶圆厂第一的宝座。当前来看，2nm的竞赛还没到“白热化”的地步，但都早已暗自布局，以期一朝发力。

争先入局背后，意义匪浅

在如今的科技较量中，谁优先掌握了先进技术，就相当于手握王牌。2nm作为摩尔定律即将到达的“天花板”，它的不仅具有战略意义，同样具备技术发展意义。

据报道，IBM的新型2nm芯片每平方毫米（MTr /mm2）有约3.33亿个晶体管。作为比较，台积电和三星的7nm制程大约在每平方毫米9,000万个电晶体左右，三星的5LPE为1.3亿个电晶体，而台积电的5nm则是1.7亿个电晶体。IBM预计，这款2nm架构芯片在同样的电力消耗下，性能比当前7nm高出45%，输出同样性能时则减少75%的功耗。

更多的晶体管意味着芯片设计人员拥有更多选择，可以通过创新技术进一步提高AI和云计算等前沿功能，以及硬件安全性等等。具体来说，2nm芯片潜在优势包括：让手机续航时长翻倍；大幅度减少数据中心的能源使用量；让设备能更快运行应用程序、完成语言翻译和访问互联网；有助于自动驾驶汽车更快完成物体检测，并减少对实时路况做出反应所需的时间。

一石激起千层浪，IBM的2nm芯片引发了多方关注。中国台湾地区“工研院”产科国际所研究总监杨瑞临指出，“IBM这次发表的2nm芯片制造技术是采用全新的环绕闸极（GAA）架构，验证了GAA的可行性，将可加速GAA的量产及商品化时程，对半导体产业是一件大事。”

28nm、16nm、10nm、7nm、5nm、3nm……这些逐渐缩小的芯片制程数字，正是全球电子产品整体性能不断进化的核心驱动力。伴随着制程的进化，5nm比7nm芯片性能提升15%，功耗降低30%；3nm又比5nm芯片性能提升10-15%，功耗降低25-30%。而IBM预计，这款2nm架构芯片在同样的电力消耗下，性能比当前7nm高出45%，输出同样性能时则减少75%的功耗。

先进工艺所能带来的性能和功耗提升，让众多无晶圆厂 IC 公司大声疾呼要拥有尖端芯片元器件，包括高性能微处理器、低功耗应用处理器和其他使用 7nm 和 5nm 制程工艺节点制造的高级逻辑芯片。而对于行业较为领先的公司如苹果、AMD英伟达、AI芯片和高性能计算芯片开发商等厂商对新工艺更是有着有极迫切的需求。

在此需求推动下，这也无怪乎各国政府、三星和台积电踊跃投入其中。长远来看，先进工艺往2nm发展已是大势所趋。但是2nm的“美好理想”，实现起来真的那么容易吗？

理想与现实之巨大落差

就在IBM发布2nm芯片后，semiwiki在分析了IBM的公告之后，从技术角度层层分析和对比，最终得出这样一个结论：“我们认为从密度的角度来看，IBM的‘2nm’工艺更像是TSMC的3nm工艺，前者的功耗更好但性能却较差。IBM的声明令人印象深刻，但它只处于研究阶段，与台积电的3nm制程相比，是有较大的功耗提升，但台积电3nm的风险将在今年晚些时候开始，并于明年开始量产。我们相信，当台积电工艺在2023/2024左右投产时，它将在2nm的密度，功耗和性能方面处于领导地位。”

通读semiwiki的报告，其背后的潜台词是，IBM的2nm工艺并没有宣传的那么厉害，仍处于“PPT”阶段，何时能变成现实估计还很遥远。

图：IBM 2nm与晶圆厂3nm

semiwiki不看好IBM的2nm工艺，而欧盟的2nm晶圆厂早在它之前同样遭到了质疑。在欧盟提出2nm晶圆厂计划不久，德国智库Stiftung Neue Verantwortung (SNV)就发表了一份详细报告，得出结论认为，没有任何商业案例可以支持欧洲2nm芯片的生产。

报告指出，虽然从技术上看，欧盟可以建造和装备晶圆厂，但只有在有力的商业案例的支持下，这种晶圆厂才是可持续的。否则，这将浪费数百亿欧元，而这些钱本可以用于其他方面。这也将与欧洲减少芯片制造投资的长期趋势背道而驰。

SNV的分析师Kleinhans更是直言：“对于欧盟芯片厂来说，目前在欧洲根本没有什么商业理由，主要是因为缺乏客户。”这份报告可以说是直接“打脸”欧盟的2nm晶圆厂计划。

根据SNV的数据指出，截至2020年12月，按地区和技术节点划分的晶圆总产能（每月开始生产数百万晶圆）如下图所示。由图可见，在过去的十年中，欧洲几乎没有投资于芯片制造，而中国大陆的产能却增长了两倍。

基于上述数据，作者得出结论，欧洲对高端芯片几乎没有需求，也不能指望向需求量大的地区（主要是美国）出售芯片。美国的无晶圆厂芯片公司将从台积电、三星或可能的英特尔那里购买，它们都计划在美国建立先进的晶圆厂。

对此泼冷水的不止德国智库，英飞凌的总裁莱因哈德·普洛斯（Reinhard Ploss）也对欧盟 “加强开发芯片能力、瞄准 2nm 工艺”的声明表示怀疑，他认为仅靠欧盟投资新建晶圆厂，无法解决欧洲的芯片供应问题。他补充道：“只有在持续满负荷使用的情况下，建造制造厂才具有成本效益。市场不会为那些高峰时期忙、低迷时期闲的公司支付溢价。”

先进工艺的竞争涉及到技术、资金等残酷的较量。无论对于晶圆代工厂来说，还是对IDM企业而言，提高芯片制造能力都将意味着需要数年的时间和不菲的资金。对于晶圆厂而言，如果制造能力落后于竞争对手，将会面临着失败。他们还需要面临这样一个现实：即便花费大量资金来建造大型设施，这些设施在五年或更短的时间内就会过时。

彭博社近日的数据就指出，为了避免亏损，芯片制造商必须从每个工厂产生30亿美元的利润。但是，当前只有最大的公司，尤其是前三家公司（台积电、三星、英特尔）合计创造了1,880亿美元的收入，也只有他们才有能力建造多个工厂。

另据xfastest报道，3nm及未来的2nm、甚至1nm工艺，最大的问题不是技术研发，而是成本太高没人用得起，因为单单为了解决工艺问题，这些公司都需要投入巨额资金研发，同时建设一座3nm或者2nm级别的晶圆厂。不只晶圆代工厂要烧钱，芯片设计公司也要跟着烧钱，报告显示7nm芯片研发就要 3 亿美元，5nm工艺要 5.42 亿美元，3nm及2nm工艺还没资料，但起步10亿美元应该差不多了。

除此之外，还将需要面临产品何时能普及以及潜在的良率问题。IBM 研究室主任Darío Gil 也坦言，虽然IBM 率先业界开发出2nm制程芯片及技术，如果要将其真的普及于市场，IBM 则预估还要几年的时间。

具体到产品良率问题上，一个工艺从实验室做出来，到大规模生产，需要漫长的良率爬坡过程。良率也是检验一个芯片代工厂工艺水准的重要指标之一。前车之鉴，台积电10nm工艺就折戟于此，其10nm工艺几乎在7nm工艺出现的瞬间就被淘汰了，主要原因就是10nm初期良率不好，出样延迟，同年苹果A11和麒麟970也表现不佳，而采用了三星10nm工艺的骁龙835则是一代神U，因此，后来台积电很快就转入到良率更好的7nm。

具体到2nm，何时才能量产？良率又将如何？客户能有多少？这些都是未知数。

如今看来，2nm的理想依旧“骨感”。

（校对/holly）