尽管绝大部分半导体市场都被成熟制程占据,多数应用领域并不需要用到更先进的2nm制程,但各企业还是竞相追逐,甚至近日传出日美两大半导体大国要联合研发2nm芯片的消息。“2nm现象”,值得深思。
先进制程市占率上升
不难看出,尽管如今半导体市场被成熟制程占据,但先进制程举足轻重。
随着摩尔定律的不断发展,在先进制程的发展之路上,荆棘重重。也因此,随着技术研发难度越来越高,不少厂商开始选择放弃先进制程的竞争,彻底投身于成熟制程的研发。例如,晶圆代工厂格芯曾在2020年公开表示放弃7nm以下的竞争。
然而,随着人们对新兴技术追求脚步的不断加速,近年来市场对于先进制程的热度只增不减,市占率不断飙升。
IC Insights数据显示,在2019年,10nm以下先进制程的市占率仅为4.4%,到2024年其比例将增长到30%,而10nm~20nm制程的市占率将从38.8%下降到26.2%,20nm~40nm制程的市占率将从13.4%下降到6.7%。
数据来源:IC Insights
台积电2021年营收显示,其主要的营收在于先进制程而并非成熟制程,台积电7nm及以下制程的营收,在2021年全年达到了50%。此外,台积电在其法说会上表示其资本支出中的80%将用于3nm、5nm及7nm等先进制程的研发。作为如今业内唯二能制造出先进制程的晶圆代工厂商之一,其营收情况以及资本支出可以表明,市场对于先进制程的热度只增不减。
数据来源:台积电2021年年报
此外,除了手机、电脑等传统意义上先进制程的典型应用领域外,一些曾经以成熟制程为主的应用领域,如今也不难看到先进制程的身影。例如,已有部分企业在规划更先进制程工艺的车规级芯片,如芯擎科技、恩智浦、高通、英伟达等,陆续发布7nm、5nm制程芯片。
硅芯片的最后一战?
2nm或许是如今硅芯片领域的最后一战,也是关键一战。而这一战,随着台积电、三星奋力寻求ASML高数值孔径极紫外光刻机,也开始逐渐打响。
此前,新思科技的研究专家Victor Moroz表示,硅晶体管的能力有限,它很有可能只能安全微缩到2nm。此外,由于石墨烯等新材料仍处于起步阶段,短时间内难以在半导体领域替代硅材料。也因此,将2nm芯片制程视为硅芯片的最后一战,几乎成为了业内共识。
因此,全球所有的芯片大国和行业霸主,都在暗自较劲,要在2nm上“背水一战”。
6月17日台积电举行的技术论坛上,这家晶圆代工龙头首次披露,到2024年,台积电将拥有ASML最先进的高数值孔径极紫外光刻机,用于生产纳米片晶体管(GAAFET)架构的2nm芯片,预计在2025年量产。据了解,高数值孔径极紫外光刻机具备更高的光刻分辨率,能够将芯片体积缩小1.7倍,同时密度增加2.9倍。
几乎同一时间,有报道称三星电子从ASML获得了十多台EUV光刻机。而三星同样表示其2nm芯片将于2025年量产。不难看出,三星也在为3年后的2nm芯片量产蓄力。
来源:三星
尽管量产2nm芯片还需时日,但此时此刻,台积电、三星电子两家芯片大厂不约而同地寻求下一代EUV光刻机,也意味着作为硅芯片的最后一战——2nm之战已经打响。而究竟谁将会是最后的“赢家”,还难以预判。
2nm代表不了半导体的全部
毫无疑问,2nm制程已经被龙头半导体厂商们视为占领市场“制高点”的关键,然而,是否意味着拥有了2nm技术,就拥有了半导体制造业的控制权?
复旦大学微电子学院副院长周鹏表示,3nm、2nm甚至未来1nm先进工艺制程在推进的过程中,面临的最大挑战可能不在于技术研发,而在于成本。28nm节点下的芯片设计成本仅为5130万美元,而7nm、5nm节点下的芯片设计成本则分别跃升至2.978亿美元和5.422亿美元。
高昂的成本支出,是各大厂商不得不面临的挑战,但高昂的投入也不意味着能顺利换来芯片的量产。以光刻机为例,台积电和三星为量产2nm芯片花重金购买了ASML的高数值孔径极紫外光刻机,但这并不意味着拥有过了光刻机就可以高枕无忧。
周鹏表示,光刻机的精度直接决定了芯片制程的精度,但在2nm的制程工艺上,高数值孔径的EUV技术以及光源、掩模工具等技术均亟待优化。“除光刻机外,互联金属电阻的恶化、高精度沉积与刻蚀工艺的需求、电路的三维集成与封装技术的开发,都是2nm制程研发过程中必须解决的技术难题。”周鹏说。
可见,工艺制程的推进同样伴随着成本的大幅增加,导致半导体制造企业带来的投入回报比可能并没有想象中丰硕。因此,不能断言掌握2nm技术就掌握了半导体制造的“制高权”,相比先进工艺制程带来的密度、功耗等性能优势,直线上升的制造成本更值得关注,未来,需要在先进工艺的研发制造与成本支出之间找到一个平衡点,而这也并非易事。
虽然,在2nm的“背水一战”中,很难有企业获得最终的控制权,最终能站在制高点的企业也寥寥无几,但这也并不意味着先进制程的研发并无意义。
周鹏表示:“摩尔定律每个工艺节点的突破,对于集成电路产业的发展都具有非凡的意义,也势必改变整个半导体行业的市场格局,因此,先进工艺节点的研究对于代工厂商以及整个半导体行业的发展都至关重要。无论未来先进制程领域的引领者是谁,最终受益者都是整个集成电路行业以及享用高性能电子产品的每一个人。”
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作者丨沈丛
编辑丨
连晓东
美编丨马利亚
监制丨连晓东
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