2納米，三巨頭的最后一戰

榮智慧

2納米是硅芯片的“最后一戰”。

晶體管越來越小，硅芯片已經逼近工藝極限。2納米之后，石墨烯等碳材料可能取而代之。

先進制程，三分天下。臺積電、三星和英特爾，一齊向2納米量產發動總攻。

日前，臺積電向兩大客戶蘋果、英偉達展示了2納米原型芯片測試結果。三星宣布降價提供2納米原型，挖挖墻角。

英特爾實力最弱，口號最響，作為唯一的美國公司，它要在2025年“重回領導地位”，“令美國再次偉大”。

“追上臺積電，三星電子計劃2025年開始量產2納米芯片”，2023年6月《韓國經濟》報道。

當時，三星正于美國加利福尼亞州硅谷舉辦“2023三星晶圓代工論壇”，不僅公布了2納米半導體量產和應用時間表，還宣布2026年將該芯片用在高性能計算產品上，2027年擴展到汽車領域。

“五年趕超臺積電。”

這一使命要追溯到2009年。三星最高經營決策會議秘密通過一項計劃—“干掉臺灣”（Kill Taiwan），頭號目標臺積電。

靠薪水翻倍的條件，三星挖走臺積電好幾十人，包括技術骨干梁孟松。

那一陣子臺積電過得也不好。2006年，研發副總裁蔣尚義退休。2007年量產45納米后，40納米的良品率始終低位徘徊，加上2008年金融危機，半導體市場大幅萎縮。

2009年，退休四年的臺積電創始人張忠謀決心重掌臺積電。他請回退休三年的蔣尚義，第一個要求就是“把公司新增的10億美元研發經費盡快花出去”。

張忠謀的心頭大患是干了17年的“老員工”梁孟松，蔣尚義的學生，曾長期擔任臺積電先進制程處處長。2003年，臺積電以自主技術130納米“銅工藝”擊敗IBM，梁孟松的功勞僅次于蔣尚義。后來，他們的恩怨延續到中芯國際。

梁孟松給三星帶來一大批FinFET（鰭式場效晶體管）人才，三星與臺積電的技術差距快速縮短；更搶在臺積電之前，率先量產了14納米制程，吸引了蘋果、高通等大客戶。

張忠謀發起“夜鶯計劃”，組建了一支300人以上的研發隊伍，24小時不間斷地攻堅下一代10納米制程。從10納米開始，臺積電又占上風。

2022年6月30日，三星宣布3納米芯片量產，全球第一家。而且，它首次采用GAAFET（全環繞柵極場效晶體管）工藝，取代了主流的FinFET結構—相比后者，GAA結構可以更精確地減少漏電損耗，降低功耗。

量產3納米的一個多月前，美國總統拜登剛剛參觀過韓國首爾以南70公里外的三星平澤廠。通過向拜登展示3納米芯片，三星亮出了“超越”臺積電的實力。

拜登剛走，三星公開巨額投資計劃：未來五年，將在芯片、生物科技領域投資3550億美元，差不多是2.5萬億人民幣。自2014年啟動的中國國家大基金計劃，一二期不到2500億元，三期3000億元，加起來算5500億元，也僅有該計劃的五分之一。

光拜登參觀的平澤園區廠，總投資超過240億美元，比國家大基金一期的規模還大。

在三星最新的詳細路線圖中，除了2025年量產2納米外，也計劃把GAA工藝制造的芯片擴展到3D封裝。三星已在半導體業務部門內組建先進封裝（AVP）業務團隊。

到2027年，三星將如期量產1.4納米。

臺積電的市場份額接近六成，一向不喜歡評論對手。

同樣是2023年6月，臺積電也放出風聲：旗下2納米技術進度比預期好，能實現2024年試產、2025年量產的目標。消息人士透露，臺積電將召集千人以上的研發團隊，在臺灣竹科寶山晶圓20廠率先量產2納米。

2納米芯片，一片報價逼近2.5萬美元，比3納米不到2萬美元的單價上漲超30%—先進制程領域，臺積電擁有“天價”定價權和超40%的高昂凈利潤率。只有主打成熟制程的美國德州儀器，凈利潤率與之接近。

天價也是真金白銀砸出來的。臺積電2022年研發費用達到54.72億美元，10年間增長約4倍，投資現金流達399億美元，增長也超過4倍。

雖然三星搶先量產了基于GAA的3納米芯片，但低良率也成了它趕超臺積電的高昂代價。量產初期，三星3納米良率只有20%。持續改進后，良率也僅在60%上下徘徊。

新手要冒險，“老大”要穩健。

臺積電在2納米制程才引入GAA晶體管、背面供電和超高性能電容器等多項新技術。

“挑大梁”的GAA，是2納米以下制程必須采用的結構。

過去晶體管是長的，采用平面結構。過去10年，也就是自英特爾在22納米上采用FinFET以來，像魚鰭一樣的3D結構就成了主流。臺積電的3納米也不例外。

通電時打開、不通電時關閉—半導體靠這種方式進行計算，由柵極的調節閥控制是否通電。FinFET結構是在電流通道的四個側面中，柵極堵住三個方向。

半導體越來越小，柵極也變得特別小，控制能力就減弱了。一旦小于2納米，沒有柵極的地方漏電增加，導致電力浪費，性能難以提高。GAA就是把過去豎著像魚鰭的器件橫過來，四個方向都有柵極圍住，還能多并置幾個。

當然，GAA的技術難度也相應增大。由于EUV光刻機的限制，只能做到每小時90片晶圓，而業內期望速度至少每小時125片，當下很難達到良品率和效率并存的效果。

目前，對外公開結構、2納米節點迭代而造成密度與性能變化等信息，臺積電是唯一一家。

2022年技術研討會上，臺積電提到，和上一代工藝相比，在相同功耗、相同晶體管數量的情況下，2納米工藝能夠帶來性能方面10%—15%的提升；或者同頻率與復雜度下功耗25%—30%的下降；晶體管密度提升1.1倍。

一顆典型芯片，包含50%的邏輯電路、30%的SRAM單元，以及20%的模擬電路。而晶體管密度提升，特指邏輯電路。不同工藝節點之間，模擬和存儲電路的器件尺寸微縮速度，一般總是慢于邏輯電路的。單看邏輯電路的數據，1.1倍不算很理想。

2023年研討會上，該數字更新為大于1.15倍，證明工藝還在持續改進之中。

相比之下，三星和英特爾都沒有公布什么詳細的信息。三星說其2納米芯片性能提高了12%，功率提高了25%，面積減少了5%。英特爾只是說Intel 20A相比Intel 3有15%的每瓦性能提升。

量產3納米，僅有臺積電和三星。英特爾和它們還有幾代的差距。

假如只看晶體管密度，臺積電和三星在絕對值上“遙遙領先”。這也說明了英特爾的20A為何最先于2024年量產—靠“命名”實現錯位競爭。根據IC Knowledge的數據，20A晶體管密度小，也就更好制作。

自從7納米與5納米時代被臺積電和三星趕超，英特爾就改變了迭代策略，閉口不談“幾納米”。2023年2月，英特爾在戰略媒體溝通會再度確認20A“測試芯片已流片”。目前愛立信已宣布采用其1.8納米制程工藝來定制5G芯片。

各家Foundry的工藝名稱都不一樣，英特爾20A，臺積電N2，三星2GAP，怎么稱呼都有，也不代表晶體管或器件的實際物理尺寸。

關鍵是，三家的2納米，都沒有特別具體的定義曝光，我們也不能認為這三者一定是同代工藝。

先進制程拼的，只在“毫厘之間”。

一臺EUV光刻機價格高達1.5億歐元，有錢也不一定買得到。除了三巨頭，其他廠商很難承受如此巨大的成本—幾乎不存在制造2納米的可能性了。

誰先量產，誰就有先進芯片市場的定價權，誰就有更豐厚的利潤空間和更大的競爭優勢，以及更廣闊的發展空間。

二十年來，倒在晶體管上的企業如過江之鯽。截至2002年/2003年，當時制造最先進130納米的半導體企業，共有26家，包括10家日企。等到2010—2012年，涉足28—32納米的企業總數減少至10家，沒有一家日企。

日本不甘心掉隊，去年組建了半官半民的半導體公司Rapidus，直接沖擊2納米，找回“失去的十年”。

Rapidus由豐田、索尼、NTT、NEC、軟銀、電裝、鎧俠、三菱UFJ這8家日企出資73億日元（約3.76億人民幣）設立，日本政府也提供700億日元（約36.05 億元人民幣）補助，作為研發預算。

Rapidus的目標是，2027年量產2納米。今年以來，它已經和美國IBM、荷蘭阿斯麥、加拿大初創企業Tenstorrent達成深度合作。

日本忽然發力，借了美國《芯片法案》的東風，據悉“有錢也買不到”的EUV光刻機已經到手。

而《芯片法案》能給日本帶來多少實惠，很難說。一年半過去了，第一個拿到補貼的是美國國防承包商BAE Systems，金額約3500萬美元—它是給F-15和F-35戰斗機以及衛星、其他防御系統造芯片的。其他公司可沒有這么硬的來頭，還得排隊等。

至于《通脹削減法案》里關于電動車的補貼，最近也是小道消息滿天飛。據說特斯拉可能拿不到每輛7500美元的補貼。

還是回到錢上。

日本業界估算，2納米的背后大約需要2萬億日元，籌備量產線還需要3萬億日元。招聘半導體人才上，又需要一大筆資金。現在投資的773億日元（還沒有到位），和砸硬件所需的5萬億差得實在太多。

為什么要搶先進制程？不光因為技術強，更因為值錢。

Omdia預測，以2026年為基準，整個晶圓代工市場將達1879億美元，而5納米以下市場將達645億美元，占比34%。

2納米主要應用在PC服務器、GPU（圖形處理器）和手機SoC（系統級芯片）上。誰先量產，誰就有先進芯片市場的定價權，誰就有更豐厚的利潤空間和更大的競爭優勢，以及更廣闊的發展空間。