抢光刻机、截客户，三大芯片巨头缠斗2nm丨知料

作者丨邱晓芬

编辑丨苏建勋

近期，行业内关于2nm以下芯片制程的进展频频。

12月14日，台积电在一次会议上首次提到，其1.4nm制程已经开始研究，并且计划在 2027-2028年器件量产。与此同时，台积电2nm制程的进展也近期也颇快。

此前有消息称，台积电用于生产2nm芯片的首部机台将于2024年Q2入驻其位于新竹宝山的工厂，并计划于2025年Q4开始量产2nm芯片。有未经证实的行业信息称，这一工厂未来一个月将能生产3万片2nm芯片。

不仅仅是台积电，三星和英特尔在2nm以下制程的战火早就开始烧起。

分别在今年的6月、10 月，三星先后透露了其先进制程芯片未来的规划—— 2nm芯片计划在2025年量产之后，2026年即扩展到HPC(高性能计算服务器)领域，2027年再扩展到更广泛的汽车应用上；其1.4nm芯片将在 2027 年量产。

英特尔这边，Intel 18A（1.8nm）作为其“4年掌握5代制程节点”大计中的收官之战，这一制程节点将在2025年交付，并且要用在其核心产品至强处理器上。

英特尔 CEO帕特·基辛格

在目前芯片行业还处于4nm应用的阶段，但各家巨头已事先布局起2nm及其以下的制程，关键时间点都锚定在了不久后的2025年。

只是，2nm技术还没真正研发完，市场端的竞争已经提前开始，近期，三家公司关于抢光刻机、截胡客户、挖角的信息也都不绝于耳。此前有外媒称，三星拿出2nm原型向英伟达在内的行业客户展示，还开出折扣价，并且已经斩获高通。高通计划下一代高端手机芯片采用三星2nm制程生产。

芯片巨头们的2nm缠斗，俨然成为一桩事先张扬的赛事。

2nm战火，先从30亿的光刻机烧起

全球2nm以下制程的硝烟，如今从最核心的元器件光刻机开始烧起——光刻机，可以说是芯片制程向上攀登的阿喀琉斯之踵。

光刻机本质上是一个投影系统，作用是将所要打印的芯片蓝图收缩、聚焦到硅片上。说起来容易，做起来却很难，ASML的光刻机此前一直在先进制程的演进中扮演着相当重要的作用。

正如2017年7nm芯片量产之时，行业内摩尔定律终结的声音不绝于耳，但 ASML掏出的EUV光刻机使得芯片突破了物理极限的限制，硬生生又给摩尔定律又续了十年命。到了如今2nm的节点，ASML依旧发挥着救火作用。

今年年初，ASML给行业释放了一则好消息，他们收到了供应商提供的第一个高数值孔径机械投影光学器件、照明器、晶圆载物台等一系列设备——翻译过来就是，这些模块能帮助ASML交付适用于2nm芯片的高数值孔径（High-NA） EUV光刻机。

未来若落地，这种光刻机不管是体积还是成本，都相当恐怖——ASML方面曾称，它大概有一台卡车那么庞大，每台的成本超过了3亿欧元（折合24亿元）。

ASML光刻机 图源BLOOMBERG NEWS

这并没有阻碍芯片巨头们的抢购热情。此前据Digitimes消息，ASML在2024年只计划生产10台2nm设备，但当中的6台已经被手快的英特尔提前锁定。

问题是，各家的2nm制程量产时间基本锁定在2025年，如果消息成真，意味着ASML能匀给台积电和三星的光刻机数量已经不多。

焦虑的三星，直接请出了韩国总统出手。12月初，三星社长李在镕紧急去了一趟荷兰拜访ASML，还拉上了韩国总统尹锡悦同行。两家公司签署了一份历史性的协议，将共同出资7亿美元（折合人民币56亿元），在韩国投建工厂。

共同建厂实现利益绑定只是幌子，三星醉翁之意是，希望从ASML那获得更多的高数值孔径EUV光刻机。

芯片行业苦光刻机久矣，先进制程攀登的过程，行业中也出现了下一代光刻机技术的先锋探索。在今年10月份，佳能就号称通过纳米压印（NIL），将有可能承担2nm芯片制程的生产。

纳米压印完全是和光刻完全不同的技术路线——如前文所说，光刻更像“投影”，那么纳米压可以用“盖印”来比喻。

根据佳能方面的说法，他们先将掩摸压到晶圆上，掩模的作用有点像”印泥“，用来复制转移电路。随后，再向上喷墨，把掩模印在新的晶圆上进行曝光。

如果能够实现，对于行业这将会是一个巨大的冲击。纳米压印的技术优势更大，不仅设备更小、功耗更低，光源也更便宜，造价更低。

佳能的美好畅想足够抓人，但最后能否落地还需要时间考验。2nm制程的竞争，不仅仅是芯片厂商的斗争那么简单，上游同样焦灼。

2nm决战各类技术革新

要制造出2nm芯片，芯片厂商还在持续挑战更先进的芯片技术。GAA（Gate All Around，全环栅型晶体管技术）是当前一项核心科技。

芯片里面的晶体管，可以拆解为三个模块：源极、栅极、漏极——电离子从源极出发、穿越栅极、进入漏极，构成一个完整回路。栅极，可以简单想象成晶体管与晶体管之间的一个门、一块隔板，起到了把控电离子流向的作用。

在7nm的时代，行业中一般采用FinFET工艺。在这个工艺下，源极和漏极被做成了一整片“鱼鳍”的样子，直直穿过栅极。这样，栅极才能牢牢把控电流流向。

只是，这种工艺在5nm以下先进制程中面临失效——当芯片制程越来越低，一个芯片里面挤入的晶体管越来越多，留给芯片内栅极的空间注定压缩，变小变薄，这样就会导致“门”关得不紧，电子出现逸散。

Planar、FinFET、GAA的技术差别

GAA正是比FinFET更进了一步。由于栅极变小失去了“包裹性”，芯片厂商们索性把漏极和源极又换了个形态，变成了一根根纳米片小棍子，垂直穿过栅极——这样，小栅极也能全面包裹栅极、漏极，保证电子不再逸散。

此外，三星还曾经提出了竖向构建的“VTFET”方式，和此前平着放的芯片不一样，这种设计思路下的晶体管是垂直构造的，但这些都还在试验阶段。

当然，2nm的技术挑战不仅于此，除了GAA技术之外，另一项技术也相当关键。随着半导体工艺微缩路线不断地向前发展，集成电路内电路与电路间的距离也不断缩窄，也会对彼此产生干扰。而为了纳米片电晶体管提供足够的电能，避免漏电损耗，台积电、三星、英特尔的2nm制程，纷纷用上了背面配电线路技术。

随着芯片向2nm以下攀登，各类技术创新闪烁。只是，目前看来2nm的投入产出比并不高——当芯片向2nm以下的制程攀登，投入呈指数级态势狂奔，仅仅购入一台光刻机就要几十亿的投入，芯片设计的成本更是高达50亿元以上。

但从更长远的角度，2nm制程的突破，意义深远。

少数者的游戏

2nm未来主要应用在数据中心，作用在于，能够让服务器性能大幅度提升的同时，降低功耗，“既要又要”不再是可能。

尤其是，今年以来大模型初步让行业窥探到智能涌现的魅力，未来要让巨大参数底座的AI大模型落地到千行百业，行业还需要有更强有力的算力来支撑——这也解释了，为什么英伟达如今几乎是2nm及其以下先进制程的最狂热簇拥者之一。

而英伟达不仅是简单的“用”芯片，成为台积电2nm工艺的首批吃螃蟹的人，还在入局光刻领域。此前有消息称，英伟达与台积电、ASML、新思科技秘密准备了4年，推出了用于计算光刻的软件库“cuLitho”，将计算光刻速率加速了40倍以上。

台积电 图源BLOOMBERG NEWS

不仅仅是想象空间巨大的HPC，2nm芯片在手机、自动驾驶、汽车等领域也有非常广泛的应用。以为手机为例，相比于7nm芯片，2nm芯片的速度提高了45%，能效更是提高了75%。三星曾经提过一个激进的设想，未来的手机将可能是“充一次电用一周”的时代。

只是如今，先进制程的竞争，早已经不是一场技术战那么简单了。最近十年“摩尔定律”的攀登已经提示：一场残酷的芯片淘汰赛拉开了帷幕。

14nm算是第一个槛，叱咤风云的联合电子便就止步于此，不再往先进制程进发；

随后的10nm、7nm分别是下一个分水岭，美系芯片厂商纷纷在此滑铁卢——代工大厂格芯就此止步，英特尔也差点迷失，而后又奋起直追；

到了5nm以下的时代，牌桌上，仅剩下三星、台积电、英特尔还有资格比拼，这又分别代表着三股大势力的决斗。

一些全新力量试图卷土重来。

在半导体行业掉队许久的日本，为了找回曾经的辉煌，此前集合了索尼、丰田等8 家日本科技公司，成立了半导体公司Rapidus。这家公司计划在2025年推出2nm工艺、2029 年推出1nm工艺。

不过，零基础几乎不可能完成这项任务，他们还找来了IBM做背书，借助IBM此前在2nm的技术沉淀来研发。

欧洲这边，由于过去那么多年在芯片制造上躺平，已经没有了参与竞争的先头部队，但胜在有钱。此前19个欧盟成员国共同声明，要以加强欧洲开发下一代处理器和半导体的能力进行合作，全面冲刺2nm。欧洲方面此前还邀请了英特尔，在欧洲建了一个800亿的先进制程工厂，曲线加入战争。

2nm以下芯片制程的竞争，考验着厂商的资金实力、人力、技术整合能力、供应链优势等等。

这是一场少数者的游戏。