臺積電在芯片制程上不斷向前發(fā)展，7nm、5nm工藝對臺積電而言，已經(jīng)成為小兒科，4nm芯片的產(chǎn)能也在不斷提升中。根據(jù)臺積電方面發(fā)布的消息可知，3nm芯片將會如期量產(chǎn)，預計上市時間為今年第四季度。2nm芯片上，臺積電也是順風順水，將會在3月份正式對外公布全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構(gòu)，并采用新的材料。即便是在1nm芯片上，臺積電也在快速前進，有消息稱，臺積電在1nm芯片上已經(jīng)取得了突破。為此，臺積電已經(jīng)明確表示，其在中科園區(qū)內(nèi)建設(shè)2nm芯片工廠，占地超100公頃，總投資約在2300億元，另外，1nm芯片工廠也將落戶在中科園區(qū)內(nèi)。

臺積電1nm芯片，這次輪到看我們了，都知道，臺積電已經(jīng)明確表示，其在2nm芯片將會采用全新的Nanosheet / Nanowire 的晶體管架構(gòu)并采用新的材料。而1nm芯片是比2nm芯片更先進的工藝，在2nm芯片上可以采用二維材料，但在1nm芯片就不太可行了。因為臺積電與麻省理工學院一直都在研1nm芯片，并且已經(jīng)取得了突破，但在芯片材料上，將會用到鉍電極的物質(zhì)。根據(jù)麻省理工發(fā)布的消息可知，二維材料做芯片可以提升性能，但二維材料存在的高電阻、低電流問題，成為學界的一大難點。

在先進半導體工藝中，目前全球主要是臺積電、三星及Intel，量產(chǎn)工藝已經(jīng)到7nm、5nm及4nm節(jié)點，明年就要進入3nm節(jié)點了，而原先掌握了先進半導體工藝的日本不甘心，計劃聯(lián)合美國，在2025年量產(chǎn)2nm芯片。

前不久美國政府高官訪問日本時談論了雙方在半導體上的合作，其中就有2nm工藝的研發(fā)，現(xiàn)在據(jù)日本媒體報道，日本也制定了具體計劃，計劃在2025年量產(chǎn)2nm芯片。

不過這個2nm的量產(chǎn)計劃并沒有更詳細的信息，哪家公司負責建廠、量產(chǎn)2nm芯片還是個迷，三星、臺積電及Intel都沒有提到過在日本量產(chǎn)2nm工藝的計劃。

當然，日本聯(lián)合美國研發(fā)2nm工藝的目標本身也是減少對臺積電的依賴，所以臺積電的可能性也可以排除。

對于美日合作2nm一事，臺積電CEO之前也做過回應，表示并不擔心。

臺積電稱，半導體產(chǎn)業(yè)的特性是不管花多少錢、用多少人，都無法模仿的，要經(jīng)年累月去累積，臺積電20年前技術(shù)距最先進的技術(shù)約2世代，花了20年才超越，這是堅持自主研發(fā)的結(jié)果。

臺積電不會掉以輕心，研發(fā)支出會持續(xù)增加，臺積電3nm制程將會是相當領(lǐng)先，2nm正在發(fā)展中，尋找解決方案。

1nm芯片要來了

12月29日快科技消息，有業(yè)內(nèi)人士預計，臺中建廠的計劃為未來的1nm工藝預留了可能。

如果一切順利的話，臺積電將會在臺中建設(shè)1nm晶圓廠。

由此可見，臺積電將眼光放在了2nm之后更高精度的芯片制造工藝上，在臺中的建廠耗資最多達到2300億人民幣。

按照2021年年初該公司宣布的計劃，三年內(nèi)臺積電將支出1000億美元用于半導體產(chǎn)能擴張。

雖然臺積電需要為緩解全球芯片市場供應緊張狀況而擴充成熟工藝產(chǎn)能，但該公司仍然會將先進工藝的發(fā)展視為重點。

臺積電加速發(fā)展先進工藝

在芯片如此緊張的情況下，國際芯片代工大廠臺積電就為了緩解芯片供需問題決定擴大生產(chǎn)規(guī)模。作為全球最大的芯片代工廠，臺積電可以說是各地爭相合作的香餑餑，如老美為了重振當?shù)氐陌雽w產(chǎn)業(yè)，就曾邀請臺積電赴美建廠。

為了吸引半導體廠商赴美建廠的積極性，老美還推出了520億美元的補貼法案，用于減輕這些廠商的成本壓力。在老美的花言巧語下，臺積電終是被繞進去了，決定在美地區(qū)的亞利桑那州鳳凰城建立一座月產(chǎn)能20000片晶圓的5nm制程先進迷你廠。

預計總投資金額將高達8000億至1萬億新臺幣(約1840-2300億元)，占地近100萬平方米。

據(jù)聯(lián)合新聞網(wǎng)報道，位于中部科學園區(qū)(中科)的新工廠將占用周邊的一個高爾夫球場以及部分公有土地。

這也是繼竹科寶山之后，臺積電規(guī)劃的第二個2nm晶圓廠。

業(yè)界指出，相較于后續(xù)用地問題仍待解決的臺積電竹科寶山2nm工廠，臺中高爾夫球場土地所有權(quán)單純，一旦與興農(nóng)集團完成協(xié)商，很有可能超過竹科寶山建廠進度。

根據(jù)臺積電初步規(guī)劃，工廠預計在明年獲得用地許可并展開環(huán)境影響評估，最快于2023年動工，預計可創(chuàng)造約8000個就業(yè)機會。

這兩年由于對芯片需求的劇增，臺積電產(chǎn)能擴充與開發(fā)較往年可說是「五倍速」前進。為了確保產(chǎn)能的提升，相關(guān)的支出也大舉拉高，尤其是在先進制程方面。

目前臺積電在中科的制程涵蓋28nm及7nm，由于2nm及1nm制程的設(shè)備可以共用，未來將由1.8nm、1.4nm，逐步向1nm推進。

業(yè)界推測，臺積電2nm最快可以在2024年試產(chǎn)，于2025年實現(xiàn)量產(chǎn)，之后再進入1nm，以及后續(xù)的「埃米」制程。

在工藝下降到5nm之前，F(xiàn)inFET(鰭式場效應晶體管)一直是很好的。

當達到原子水平 (3nm是25個硅原子排成一行) 時 ，F(xiàn)inFET開始出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，可能不再適用于更進一步的工藝水平。

在2nm工藝上，臺積電并沒有直接使用三星規(guī)劃在3nm工藝上使用的GAAFET (環(huán)繞柵極場效應晶體管)，也就是納米線(nanowire)，而是將其拓展成為MBCFET(多橋通道場效應晶體管)，也就是納米片(nanosheet)。

GAAFET是一個周圍都是門的場效應管。根據(jù)不同的設(shè)計，全面柵極場效應管可以有兩個或四個有效柵極。

通過在柵極上施加電壓，你可以控制源極和漏極之間的電流，將其從0切換到1，并創(chuàng)建一個處理器的二進制邏輯。

從GAAFET到MBCFET，從nm線到nm片，可以視為從二維到三維的躍進，能夠大大改進電路控制，降低漏電率。

2nm采用以環(huán)繞閘極(GAA)制程為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)，可以解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。

今年5月，麻省理工學院(MIT)的孔靜教授領(lǐng)導的國際聯(lián)合攻關(guān)團隊探索了一個新的方向：使用原子級薄材料鉍(Bi)代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。

這項研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發(fā)表在Nature期刊上。

自2019年起，MIT、臺大和臺積電就展開了漫長的跨國合作。

MIT團隊最先發(fā)現(xiàn)，在「二維材料」上搭配「半金屬鉍(Bi)」的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

之后，臺積電技術(shù)研究部門則將「鉍(Bi)沉積制程」進行優(yōu)化。

最后，臺大團隊運用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至nm尺寸，終于獲得突破性的研究成果。

這種材料被作為二維材料的接觸電極，可以大幅度降低電阻并且提升電流，從而使其能效和硅一樣，實現(xiàn)未來半導體1nm工藝的新制程。

未來，「原子級」薄材料是硅基晶體管的一種有前途的替代品。

今天，據(jù)日經(jīng)亞洲報道，日本將和美國合作，最早于2025年在日本啟動2nm制程國內(nèi)制造基地。日經(jīng)亞洲稱，2nm制程的芯片可以用于量子計算機、數(shù)據(jù)中心和智能手機等產(chǎn)品，甚至可以決定軍事裝備的性能，與國家安全直接相關(guān)。

盡管日本和美國計劃合作攻關(guān)2nm芯片，但具備量產(chǎn)5nm以及下制程實力，且明確提出了2nm路線圖的晶圓代工廠僅有中國臺灣晶圓代工龍頭臺積電和韓國芯片巨頭三星電子。這兩家芯片制造巨頭的2nm制程研究均已進入開發(fā)階段，并提出了明確的量產(chǎn)時間。

臺積電預計將在2024年年底和2025年進行2nm制程的風險試產(chǎn)，量產(chǎn)則可能會到2025年下半年或年底。三星電子則同樣計劃在2025年實現(xiàn)2nm的量產(chǎn)。

最近，臺積電和三星電子更是在2nm制程方面動作頻頻。上周五，據(jù)臺媒報道，臺積電2nm建廠計劃相關(guān)環(huán)保評審文件已送審，爭取明年上半年通過，一期項目預計2024年底前投產(chǎn)，投資金額高達1萬億新臺幣(約合2268億人民幣)。而三星電子的實際負責人李在镕也訪問荷蘭光刻機龍頭ASML，據(jù)悉目標為下一代EUV光刻機，以在2nm等先進制程上取得優(yōu)勢。

本文將從資本支出、技術(shù)、客戶爭奪和制程節(jié)點等方面，呈現(xiàn)臺積電和三星電子的全方位競爭，解析這場2nm芯片戰(zhàn)爭。

一、2021年競爭白熱化，臺積電、三星砸錢跑贏行業(yè)

當前，全球具備5nm及以下制程芯片制造實力的晶圓代工廠只有臺積電和三星電子兩家。兩家正展開一場以百億美元為單位、以納米乃至原子厚度為目標的先進制程競賽。

這種競賽中，臺積電和三星電子都投入了大量的資金，以在技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)能擴充上占得先機。

2021年，臺積電資本支出達300億美元，今年臺積電則預計資本支出將達到400-440億美元(約合2687億-2956億人民幣)。在2022年的投資中，臺積電預計70%都將用于先進制程，10-20%用于特色工藝，10%用于先進封裝。