來源：半導體產業縱橫
距離2nm制程量產還有一年左右的時間，當下，對於台積電、三星和英特爾這三大玩家來說，都進入了試產准備期，新一輪先進制程市場爭奪战一觸即發。
經過多年的技術積累、發展和追趕，在工藝成熟度和良率方面，三星、英特爾與台積電的差距越來越小了，在2nm時代，台積電依然佔據優勢地位的局面可以預見，但與5nm和3nm時期相比，市場競爭恐怕會激烈得多。
01
三大玩家的2nm技術路线
在發展2nm制程技術方面，台積電、三星和英特爾既有相同點，也有不同之處，總體來看，台積電相對穩健，英特爾相對激進，三星則處於居中位置。
首先看台積電。
該晶圓代工龍頭的2nm制程將包括N2、N2P和N2X三個版本，預計2025下半年开始量產其第一代GAAFET N2節點芯片，2nm的下一個版本N2P將在 2026年底量產。與英特爾不同，台積電的這兩個版本2nm工藝沒有使用背面供電技術，不過，整個N2系列將增加台積電新的NanoFlex功能，該功能允許芯片設計人員在同一模塊中匹配來自不同庫（高性能、低功耗、不同面積）的單元，以提高性能或降低功耗。
爲了控制成本，台積電將使用GAAFET晶體管架構，而不是傳說中的互補式場效應晶體管（CFET）。
台積電的3nm工藝已經支持一種稱爲FinFlex的功能，它也允許設計人員使用來自不同庫的單元，不過，N2依賴於GAAFET納米片晶體管，使NanoFlex提供了一些額外的控制能力，可以優化性能和功率的通道寬度。
與N3E相比，台積電預計N2在相同功率下可將性能提高10%~15%，或在相同頻率和復雜性下將功耗降低25%~30%。
N2之後將是性能增強型N2P，以及2026年的電壓增強型N2X。盡管台積電曾表示N2P將在2026年增加背面供電網絡（BSPDN），但看起來情況並非如此，N2P將使用常規供電電路，具體原因尚不清楚。
N2仍有望採用與電源相關的創新，也就是超高性能金屬絕緣體金屬（SHPMIM）電容器，這種電容器可以提高電源穩定性，SHPMIM電容器的容量密度是台積電現有超高密度金屬絕緣體金屬（SHDMIM）電容器的兩倍多。
下面看三星。
三星也將於2025年量產2nm（SF2）制程芯片，然後於2026年採用背面供電技術。與3nm工藝（SF3）相比，三星的2nm工藝性能提升12%，功率效率提升25%，面積減少5%。
相對於台積電而言，三星公布的2nm制程工藝技術細節不多，不知道量產時是否會有什么大招放出。
最後看英特爾。
2024年初，在發布其“四年內五個節點”計劃（稱爲“5N4Y”）時，英特爾介紹了其20A（2nm級）制程技術，該工藝計劃在2025年初投入生產。
據悉，英特爾的20A引入了RibbonFET GAA晶體管和PowerVia背面供電技術，而之後的升級版本18A則將改進這兩種技術。該公司是背面供電技術的積極倡導者，並在不斷改進，因此，預計英特爾也將會在2nm制程技術領域有較多創新。
英特爾將比台積電早兩年使用背面供電技術，此外，在使用GAA晶體管架構方面，也比台積電早一年半的時間。但是，是否可以將這些新技術轉化成實實在在的量產優勢，關鍵還是要看英特爾能否將PPA（性能、功耗、面積）優化到位。
02
數字遊戲
2024年3月，三星電子通知客戶和合作夥伴，宣布將新版第二代3nm工藝改名爲2nm。三星稱，該工藝將在今年年底量產。
一位IC設計業內人士表示：“我們收到了三星電子的通知，他們正在將第二代3nm制程更名爲2nm。我們去年與三星電子代工廠籤訂的第二代3nm制程合同也將更名爲2nm，因此，我們需要在不久的將來重寫合同。”
有業內人士表示，三星第二代3nm制程減小了晶體管尺寸，很大程度上是爲了滿足營銷的需要。
台積電在IEEE國際電子元件會議（IEDM）上揭露，將繼2nm後，推出1.4nm制程，且延續將2nm正式命名爲A20的做法，1.4nm被命名爲A14，預計2027~2028年量產。
三星緊追台積電不放，宣布計劃2027年量產1.4nm制程。
英特爾對制程的命名則一改多年前的“倔強”，不再固守摩爾定律的絕對規範，而是考慮到更多的商業化拓展需求，讓制程節點聽起來更接近市場和客戶習慣。因此，該公司CEO基辛格在主持英特爾創新日台北場時重申，Intel 7已進入量產階段，Intel 4現已量產准備就緒，Intel 3也會按計劃於今年底推出。他在現場展示了以Intel 20A試產出的晶圓，預計將用於2025年推出的Arrow Lake處理器，Intel 18A也將有望在2025下半年進入量產階段。
目前，對於5nm及以下的先進制程工藝，出現了越來越多的“數字遊戲”，這也是競爭壓力下的產物，由於台積電的先進制程在業內深入人心，要想提升競爭力，獲得更多市場份額，就不得不順應市場需求和客戶習慣，才有助於拓展市場空間。
03
2nm制程量產的挑战
2025年是2nm制程量產元年，真正的較量恐怕會出現在2026年。對於台積電、三星、英特爾，以及日本的Rapidus來說，依然需要解決各自的問題，才能將量產工作鋪开。
台積電的高成本
International Business Strategies（IBS）的分析師認爲，與3nm處理器相比，2nm芯片成本將增長約50%。
IBS估計，一個產能約爲每月50000片晶圓（WSPM）的2nm產线的成本約爲280億美元，而具有類似產能的3nm產线的成本約爲200億美元。增加的成本，很大一部分來自於EUV光刻設備數量的增加，這將大大增加每片晶圓和每個芯片的生產成本，而能夠接受如此高成本芯片的廠商，只有蘋果、AMD、英偉達和高通等少數幾家。
IBS估計，2025~2026年，使用台積電N2工藝加工單個12英寸晶圓將花費蘋果約30000美元，而基於N3工藝的晶圓成本約爲20000美元。
隨着對AI處理器需求的增加，英偉達在台積電收入中的份額會在2024年增加，該公司已經預訂了台積電晶圓代工和CoWoS封裝產能，以確保其用於AI的優質處理器的穩定供應。今年，AMD在台積電總營收中的份額有望超過10%。
正是有蘋果、英偉達、AMD等大客戶下單，台積電才會大規模投資最先進制程，否則，像2nm這樣燒錢的制程產线，是很難持續支撐下去的。但是，就目前的情況來看，台積電對2024全年的晶圓代工市場預判較爲保守，認爲之前的預估過於樂觀了，之前預估該行業年增長20%左右，現在看來，增長率可能只有10%左右。在這種情況下，雖然有大客戶的訂單，也必須控制一下成本和資本支出了。
目前，台積電正在全方位的控制成本，包括EUV設備的支出，電能的節省等。雖然在2nm制程成本方面，其它幾家廠商也會面臨成本問題，但爲了追趕台積電，三星和英特爾似乎在成本方面沒有台積電那么敏感。另外，由於台積電要在美國新建至少兩座先進制程晶圓廠，這給它帶來了很多額外的成本壓力。因此，台積電的2nm制程產线必須精打細算。
三星的良率問題
對於晶圓代工來說，良率非常重要，它直接影響生產成本和客戶認可度。
自從進入5nm制程時代以來，良率一直是三星晶圓代工業務所面對的最大問題，特別是在3nm制程節點上，三星率先引入了全新的GAA架構晶體管，與以往使用的FinFET晶體管有較大區別，也使良率問題進一步放大。
據Notebookcheck報道，三星的3nm工藝良率在50%附近徘徊，依然有一些問題需要解決。三星2023年曾表示，其3nm工藝量產後的良率已達到60%以上，不過，現在看來，當時過於樂觀了。
今年2月，據韓媒報道，三星新版3nm工藝存在重大問題，試產芯片均存在缺陷，良率爲0%。報道指出，採用3nm工藝的Exynos 2500芯片因缺陷未能通過質量測試，導致後續 Galaxy Watch 7的芯片組也無法量產。報道指出，由於Exynos 2500芯片試產失敗，三星推遲了大規模生產，目前，尚不清楚是否能夠及時解決良率問題。
爲了追趕台積電，三星的3nm制程工藝採取了比較激進的策略，主要體現在GAA晶體管架構上，台積電的3nm依然採用FinFET。2nm才會轉向GAA晶體管，激進的結果就是要在良率方面付出一些代價。
如果3nm的良率問題不能解決，2nm恐怕會出現同樣的問題。
英特爾的客戶
對於晶圓代工業新進入者，英特爾面臨的最大問題當然是客戶認可度，特別是像2nm這樣先進的制程工藝，對於在10nm以下晶圓代工市場鮮有量產經驗和出貨量的廠商來說，在與台積電和三星的競爭中，如何搶奪客戶，特別是有較大出貨量需求的客戶（2nm成本很高，若出貨量小，根本不可能盈利），是一大挑战。
Rapidus的挑战
日本Rapidus晶圓廠的2nm制程工藝源自IBM。Rapidus派遣工程師前往IBM在紐約的奧爾巴尼納米技術中心進行研發，並與IBM以外的合作夥伴合作开發2nm工藝，目標是在2020年代後期進行大規模生產。
與英特爾類似，Rapidus是晶圓代工業的新進入者，大規模生產工藝研發是從零开始的，客戶認可度是一大挑战。
假設已經投資Rapidus的豐田汽車、電裝、NTT、IBM等公司將他們需要的先進制程芯片交由Rapidus代工生產，但是，這些廠商能有多少2nm制程芯片需求？而將先進制程芯片外包給台積電、三星等晶圓代工廠的客戶，如蘋果、高通、AMD、英偉達和聯發科，才是出貨量大戶，他們能否選擇Rapidus，關鍵在於這些大客戶能夠充分了解並認可Rapidus的工藝水平，以及所創造的附加值，如果不能的話，他們很難將訂單從台積電和三星那裏轉出。
另外，僅僅在奧爾巴尼學到了IBM的2nm工藝，並不意味着可以直接將其應用於Rupidus晶圓廠的大規模生產，有很多工程問題需要解決，這不是一朝一夕的事情。
還有一個問題是Rapidus能獲得多少EUV設備，這對2nm制程芯片量產至關重要。ASML在2022年的EUV光刻設備出貨量約爲55台，2023年的產能提高到60台以上，到2025年可達到90台左右。但是，隨着制程工藝的特徵尺寸小越來越小，EUV光刻的層數會持續增加，其它幾家晶圓廠會持續爭奪EUV設備，Rapidus能得到多少呢？
04
結語
據韓媒報道，台積電總裁魏哲家沒有出席23日在台北舉行的台積電2024年技術論壇，是因爲他前往歐洲祕密訪問ASML荷蘭總部和德國工業激光大廠TRUMPF。
爲了衝刺先進制程晶圓代工，英特爾已成爲ASML首台最新型High-NA EUV（高數值孔徑EUV光刻機）的买家。台積電高層原本表示，其2nm和A16制程節點並不需要High-NA EUV，因爲它太貴了。但據BusinessKorea報道，台積電總裁魏哲家這次祕密飛往荷蘭，是與ASML商討EUV設備事宜。
雖然魏哲家的訪歐行程是保密的，但ASML新任CEO富凱（Christophe Fouquet）和TRUMPF公司CEO卡穆勒（Nicola Leibinger-Kammüller）都在社群媒體上曝光了魏哲家到訪的消息。富凱直言，ASML向魏哲家介紹了公司的最新技術與產品，包括High-NA EUV設備將如何實現未來半導體的微制程工藝技術。
這可以從一個側面反映出台積電、英特爾和三星爭奪新一代光刻設備的競爭在升溫，2nm及以下先進制程的競賽已經开打。
標題：2nm制程：四強爭霸，誰是炮灰？
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