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2nm 先声夺人,全球芯片制造将迎大震荡?

3nm 还在指日可待,2nm 却已先声夺人。

最近 IBM 在其官网宣布制造全球第一颗基于 GAA 的 2nm 芯片,揭开了先进工艺的新突破。与主流 7nm 芯片相比,2nm 芯片将预计实现提高 45% 的性能或降低 75% 的功耗。

此举自然为工艺的 " 演进 " 注入新的强心剂,但由此也在业界引发了连环 " 追问 ":这一技术谁会尽快接盘商用?GAA 是否将成主流?这会对台积电造成冲击吗?大陆先进工艺将何去何从?

接盘侠 ?

看来 GAA 已成为先进工艺新的 " 分野 "。

代工龙头台积电在 5nm 和 3nm 节点均采用 FinFET 结构,预计 2nm 将采用以 GAA 工艺为基础的 MBCFET 架构,而三星在 3nm 节点即正式 " 投怀 "GAA。

而之所以三星激进台积电稳健,业界知名专家乔宇分析说,三星相对激进,因两家模式不一,导致技术节奏、路线不一。坦白说三星不差钱,三星集团可大笔砸钱于最先进工艺的开发,哪怕不赚钱也能承担。台积电则不一样,它一定要求稳,因为它承担了太多设计公司的 " 身家性命 ",难容差池。

此次 IBM 2nm 试产的成功,验证了 GAA 新技术的可行性,这会加速 GAA 量产吗?" 现在只是试产成功,还需要一段时间来提升良率、稳定生产。FinFET 和 GAA 应过渡平缓一点,不要太激进,因 GAA 2nm 技术可能在实验室层面没问题,但从整个产业链的配套以及成熟量产的推进来看,仍存诸多挑战及未知。"乔宇谨慎地说。

这就进一步引发更深层次的问题,新技术从实验室走向商用,谁会来 " 接盘 " 落地?又会对业界造成何种影响?

正如北京半导体行业协会副秘书长兼技术研究部部长朱晶所言,对GAA 2nm 量产的突破还是需要把眼光聚焦到大生产线上,而不是研发线。后者不涉及到商业运营,没有成本和量产的概念,更多是前沿创新突破和专利布局。

而早在 2014 年 IBM 就退出代工业务,将其 IBM Microelectronics 部门出售给格芯。按照 IBM 奥尔巴尼研究室签订的合作协议,其 2nm 芯片代工业务或将委托给三星、格芯、英特尔等合作企业。

从上述合作伙伴来看,三星已采用 GAA 押注 3nm,并在 SRAM 上初露锋芒,但 2nm 暂时未见披露。乔宇谈到,如果三星觉得 IBM 2nm 技术不错,有可能直接将其买断而后在三星推广量产,承担代工重任。而格芯在先进制程工艺上还稍为落后,恐难以消化。从英特尔来看,7nm 制程芯片预计 2023 年投产,或不太可能从 7nm 激进地跃迁到 2nm。

"从应用入手,2nm 更适合以手机芯片这一体量巨大的市场开道,一是为摊薄成本,另一个是量大之后可反向评估,从而进一步催熟工艺。英特尔以 PC/ 数据中心等 CPU 为主,可能更趋于求稳,不会那么快地 Touch 这一最先进工艺。" 乔宇进一步分析。

因而,采用 IBM 2nm 技术量产芯片的 " 蓝图 " 看来还未明朗。

至于对台积电的影响,似乎并无多大 " 波澜 "。台积电早于 2019 年即成立了 2nm 专案研发团队,业已取得了关键性的突破,有望于 2023 年下半年进行风险性试验,并且宣称试产良率可望达到 90%,2024 年将进入量产阶段。因而,台积电 2nm 技术试产略落后于 IBM,但量产计划更为提前。

"因而,如果说比拼技术实验室水平或专利之类,可能 IBM 占据一定优势,但要比拼晶圆代工业,台积电还是无法撼动的。因为从试产到量产中间还有巨大的鸿沟,还有诸多技术、IP、EDA 等生态挑战。" 乔宇判断说。

GAA 的 " 风光 "

GAA 看似迎来了高光时刻,成为继 FinFET 之后的新 " 主力 "。

根据设计的不同,GAA 有不同的形态,目前比较主流的四大技术是纳米线、MBCFET、六角形截面纳米线、纳米环。需要指出的是,与台积电一样,三星对外介绍的 GAA 技术也是 MBCFET。有专家分析,这表明 MBCFET 将成 GAA 主流。

正如 2011 年英特尔推出 22nm FinFET 成为工艺 " 转型 " 的分水岭,如今 GAA 的登台亮相亦是大势使然。乔宇提及,从平面到 FinFET、再到 GAA,考验实际上来自于栅极如何有效控制源极和漏极之间的沟道产生的电流,如何做到漏电流更好、功耗更小?GAA 有比 FinFET 更高的性能表现,但显而更难制造。

但 GAA 的风光能持续多久?

" 目前来看 GAA 在 3nm、2nm 工艺被采用,但有可能就延续两代或两代半,到 1nm 时有可能转向采用 CMOS 结构的 Complementary FET(CFET)。" 乔宇话锋一转说。

要知道,除了 IBM、英特尔、台积电、三星具有强大的工艺研发实力之外,比利时微电子中心 IMEC 也是全球知名的半导体研发中心。当达到 1nm 节点时,IMEC 会采用 CFET,通过在 p 型 FET 上堆叠 n 型 FET,即通过三维堆叠具有不同导电类型的晶体管,从而大大减小标准单元面积。

半导体器件结构路线图(来源:IMEC)

虽然 CFET 的工艺流程非常复杂,但毫无疑问极大地缩小了 CMOS、SRAM 的面积,达到了集成化。但能否做到所期待的晶体管特性,成为未来研发的关键。

大陆代工困局

国外在先进工艺一骑绝尘,进一步折射出大陆在先进工艺追赶的路上愈加崎岖坎坷。

朱晶还认为,IBM 做 2nm 并不是想台积电争抢市场的,IBM 越来越像 IMEC 了,以后可能会和三星、英特尔、台积电都联合合作,甚至接受这三家的定制化研发任务,去解决一些技术难点,共同往 1nm 走。

" 而且,越往 2nm 和 1nm 走,越是合作的趋势,因为要突破的技术难点太多了,不合作对于哪家而言成本都是巨大的。" 朱晶分析道。

在国外巨头抱团取暖的情形下,朱晶坦言这对大陆而言还挺不利的,越往前走,国外先进国家的企业越抱团,大陆却没团可抱。

还要明了的是,如果三星商用了 IBM 的 2nm 授权,那以后三星的 2nm 也被冠以美国技术了,那在当下中美科技博弈将成为常态化的情形下,不可能授权给大陆代工企业使用。

尽管在先进工艺,有机构和专家宣称国外厂商无法绕开其一些专利,可为大陆 IC 业保驾护航。对此,半导体知名专家指出,这种专利交叉是肯定有的,但关键是要成体量,才能真的保驾护航,一两个是不成气候的。而且一个技术方向一般称得上保驾护航的水平的,需要几百上千个专利,因此还是要集合全国的力量去做专利池。

而且,至少要先解决 EUV,GAA 才不会是 " 可触而不可及 "。这就又回到大陆终极 " 卡脖子 " 难题——光刻机,究竟何时有解呢?(校对 / 清泉)

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