全球首家！台積電官方宣布：正式啟動2nm工藝研發

【新智元導讀】近日，全球知名半導體公司台積電官宣：正式啟動2nm工藝的研發，工廠設置在位於台灣新竹的南方科技園，預計2024年投入生產。

7nm，5nm，3nm，現在終於開始進入2nm了！

幾十年來，半導體行業進步的背後存在著一條金科玉律，即摩爾定律。

摩爾定律表明：每隔 18~24 個月，集成電路上可容納的元器件數目便會增加一倍，晶片的性能也會隨之翻一番。

然而，在摩爾定律放緩甚至失效的今天，全球幾大半導體公司依舊在拚命「廝殺」，希望率先拿下製造工藝布局的制高點。

英特爾終於進入 10nm 工藝時代並將在後年轉入 7nm，台積電、三星則紛紛完成了 7nm 工藝的布局並奔向 5nm、3nm。

而就在近日，台積電官方宣布：正式啟動2nm工藝的研發！

據官方宣布，工廠將落腳在台灣新竹的南方科技園，預計研發工作將於2024年完成並投入生產。

台積電：全球第一家官宣2nm工藝

從2018年末到2019年，隨著7nm製程工藝逐漸進入消費領域，台積電和三星都已經談到了他們對5nm和3nm工藝節點的計劃。

而根據近期的消息，台積電有了更多的運作計劃，將工藝推進到3nm，甚至2nm！台積電也是全球第一個宣布開始研發2nm工藝的廠商。

台積電廠務處處長莊子壽表示：

台積電在台灣的第一家3nm工廠將於2021年投產，並將於2022年實現大規模生產。

與此同時，為了對抗三星的競爭，台積電正在推進2nm製程的研發和生產計劃。

而就在幾天前，台積電在台灣新竹的3納米研發廠房順利通過環評，預計可順利趕上量產時程。

台積電也透露預計把五年後的 2 奈米廠研發及量產都放在新竹，選址部分原因是為避免人才流失，目前台積電在新竹有約7000名半導體製程研發人才。

按照台積電給出的指標顯示，2nm工藝是一個重要節點，Metal Track（金屬單元高度）和3nm一樣維持在5x，同時Gate Pitch（電晶體柵極間距）縮小到30nm，Metal Pitch（金屬間距）縮小到20nm，相比於3nm都小了23%。

台積電沒有透露2nm工藝所需要的技術和材料，看電晶體結構示意圖和目前並沒有明顯變化，能在矽半導體工藝上繼續壓榨到如此地步真是堪稱奇蹟，接下來就看能不能做到1nm了。

當然，在那之前，台積電還要接連經歷7nm、6nm、5nm、3nm等多個工藝節點。

其中，7nm+ 首次引入 EUV 極紫外光刻技術，目前已經投入量產；6nm 只是 7nm 的一個升級版，明年第一季度試產；5nm 全面導入極紫外光刻，已經開始風險性試產，明年底之前量產，蘋果 A14、AMD 五代銳龍 (Zen 4 都有望採納)；3nm 有望在 2021 年試產、2022 年量產。

全球主流半導體公司工藝水平大比拼

接下來，對不同晶片生產商的製造技術進行了一個排名，如下表所示，可以較為便捷地了解哪種工藝更為先進。

表中密度以MTr/mm2計算，其代表每平方毫米數百萬個電晶體。

截至2019年1月，英特爾的10nm技術依然領先於台積電和三星的7nm技術。

來源：根據公開數量整理

有一點需要注意，上述數字在某些情況下是近似的。

但是，這不會影響排名。

如果更深入地研究這個問題，英特爾的10nm比台積電7nm的SRAM稍微密集一些。

但台積電的7nm實際上比英特爾的邏輯單元更密集，這使事情變得更加複雜，卻很有意思。

由於英特爾的10nm還沒有大規模生產，台積電的7nm是目前市場上明顯的贏家。

接下來，對比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特爾等不同製造商的不同工藝節點都有什麼特點。

台積電

台積電是目前世界上最大的獨立半導體代工製造商。

台積電與世界上一些最大的晶片設計商合作，如Nvidia，AMD，高通，蘋果，華為和聯發科。

截至2019年1月，台積電憑藉其7nm製造工藝引領新一代的高端技術競爭，該工藝已經開始批量生產，iPhone XS和華為Mate 20 Pro等頂級手機品牌都採用了這一技術。

7nm

首先，讓我們看看最近一年來炒作最火熱的台積電7nm工藝。

TSMC的7nm工藝實際上有多種變體，7nm FF/FF+（FinFET和FinFET+）的電晶體密度約為96.49 MTr/mm?，7nm HPC的電晶體密度為66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工藝是TSMC自身10nm工藝密度的1.6倍。

此外，與10nm技術相比，7nm工藝可使性能提高20％，功耗降低40％。

目前該技術主要用於：A12 Bionic（iPhone XS Max），Snapdragon 855，Kirin 980，Zen 2（Ryzen 3000 Series）。

10nm

台積電的10nm節點工藝的密度為60.3 MTr/mm?，是自身12nm/16nm節點密度的2倍多，速度提高了15％，功耗降低了35％。

目前該技術主要用於：Apple A11 Bionic，Kirin 970，Helio X3。

12nm/16nm

與20nm工藝相比，台積電16nm的速度提高近50％，功耗降低60％，其密度為28.2 MTr/mm2。

台積電的12nm技術或多或少是一種營銷噱頭，類似於他們的16nm節點。

這個12nm節點只是它們重新命名的16nm工藝，具有更好的柵極密度和較少的優化。

12nm工藝的估計密度約為33.8 MTr/mm?。

台積電的12nm和16nm工藝為麒麟、聯發科處理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服務。

主要用於：Nvidia圖靈GPU（GeForce 20系列），麒麟960，麒麟659，麒麟710，Helio P60，Helio P70，Apple A10 Fusion處理器。

英特爾

英特爾是全球第二大晶片製造商。

曾幾何時，英特爾在半導體市場處於絕對的領先地位，但其10nm工藝的一再延遲使其在高端技術上已經相當落後。

7nm

2018年12月，英特爾宣布他們正在開發7nm工藝，並且正在按計劃進行。

英特爾7nm工藝將使用EUVL（極紫外光刻）製造，預計電晶體密度將達到242 MTr /mm?，是10nm工藝 的2.4倍。

現狀：正在進行中。

10nm

英特爾的10nm工藝最初預計將於2016年首次推出，但截至2018年底，它已被推遲3次！

英特爾10nm工藝密度約為100 MTr /mm?，是14nm工藝的2.7倍。

從這一點看，英特爾的10nm相當於其他公司所標榜的7nm技術。

現狀：英特爾正在努力提高良率，可能在2019年末進入批量生產。

用於：Core i3-8121U處理器。

14nm

英特爾的14nm工藝電晶體密度估計為43.5 MTr/mm?。

截至目前，從Broadwell到Coffee Lake，都擁有相同的14nm技術，已用於其5代處理器之中。

然而，這款14nm技術仍然優於台積電的16nm/12nm和三星的14nm技術。

英特爾還推出了14nm+和14nm++，只是進行了微小的改進。

主要用於：英特爾的第5代，第6代，第7代，第8代和第9代移動和桌面處理器。

由於10nm節點的延遲，英特爾簡單地改進了他們的14nm節點，在性能和功耗方面略有改進，並將它們命名為14nm +和14nm ++。

這些只是微小的改進，並沒有進行電晶體密度微縮。

三星

2017年7月，三星取代英特爾成為全球最大的晶片製造商。

對於幾乎相同的工藝節點，三星晶片的電晶體密度與TSMC相當。

三星為高通、蘋果、Nvidia和許多其他廠商生產晶片，並且還將其14nm工藝許可給GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次採用EUV技術生產了7nm晶片，工藝密度為95.3 MTr/mm?。

相比10nm技術，性能提高了20％，同時功耗降低了50％。

現狀：已進入批量生產。

8nm

三星的8nm工藝也稱為8nm LPU（Low Power Ultimate），它只是其10nm工藝的延伸。

就電晶體密度而言，它與台積電的7nm HPC工藝非常相似，其密度為61.18 MTr/mm?。

該技術用於製造Exynos 9820晶片，將在2019年即將推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用於：Exynos 9820處理器。

10nm

三星10nm工藝有兩種變體，10nm LPE（Low Power Early）和10nm LPP（Low Power Plus）。

其第二代工藝（10nm LPP）性能提高了10％，密度為51.82 MTr /mm?，是14nm工藝密度的1.6倍。

適用於：Snapdragon 835，Snapdragon 845，Exynos 9810，Exynos 8895，Exynos 961。

11nm

與14nm LPP（Low Power Plus）工藝相比，11nm LPP（Low Power Plus）工藝可提供高出15％的性能。

但是，功耗保持不變，這個過程更像是對14nm工藝的擴展。

用於：Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工藝是其最廣泛使用的製造節點之一，該工藝的電晶體密度為32.5 MTr /mm?，主要用於Nvidia的GeForce 10系列，以及許多Qualcomm和Exynos晶片。

它有多種變體，14nm LPE（Low Power Early）和14nm LPP（Low Power Plus）。

用於：Nvidia GeForce 10系列，Snapdragon 820，Snapdragon 821，Exynos 8890，Exynos 7870。

GlobalFoundries

GlobalFoundries（格羅方德，格芯）是一家美國半導體公司，為高通、AMD和Broadcom等各種品牌製造處理器。

7nm

此前，得益於三星背後的支持，GlobalFoundries的7nm走在前列，而且2018年3月還邀請少數資深記者前往旗下最先進的紐約Malta的Fab 8工廠，介紹他們計劃向7nm EUV光刻技術推進。

然而，計劃趕不上變化。

18年8月宣布，出於經濟因素考慮，擱置7nm LP項目，將資源回歸到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

儘管曾有許多業內專家估計它的7nm技術比台積電的7nm還要更加密集，但GlobalFoundries目前已經停止了他們的7nm開發，已經不會再與台積電競爭。

按照AnandTech的報導，GF的5nm和3nm研發也將終止，已經逐步停掉與IBM矽研發中心在這方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工藝的性能比其前代產品提高了15％，密度提高了10％。

Ryzen 2000系列便基於其12nm節點技術。

當前，GF的12nm/14nm多用在AMD的銳龍處理器（Ryzen 2000 Series）、Radeon GPU上，12FDX/22FDX則可以提供優質的性價，可用於集成模擬和射頻組件上，如5G基帶。

用於：Zen +架構產品（Ryzen 2000 Series）。

14nm

GlobalFoundries實際上從三星那裡獲得了14nm技術。

用於：AMD Vega系列，Ryzen第二代APU，Radeon 500系列。

目前，GlobalFoundries已經停止一切與7nm工藝有關的投資研發，轉而專注現有的14/12nm FinFET工藝和22/12nm FD-SOI工藝，提供包括射頻、嵌入式存儲器和低功耗等一系列創新IP及功能，並調整相應研發團隊來支持新的產品組合方案，這一選擇可能和最近幾年窘迫的財務狀況有關。

中芯國際

據最近報導，中芯國際在14nm FinFET技術開發上已經獲得重大進展，良率已高達95％，其第一代FinFET技術研發已進入客戶導入階段，並且將在今年上半年投入大規模量產。

同時，12nm的工藝開發也取得突破。

中芯國際的14nm/12nm進展，對於中國集成電路產業來說是一個極大利好，但是與全球的先進技術相比，中國還比較落後，還需要整個產業共同努力，以便早日在世界高端晶片製造領域占據一席之地。

參考連結：

wccftech：https://wccftech.com/tsmc-2nm-research-taiwan/

eetimes：https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1333109&page_number=2

tweaktown：https://www.tweaktown.com/news/66264/tsmc-announces-work-begun-next-gen-2nm-node/index.html