相比成熟制程，近年随着AI、数据中心等应用驱动，先进制程成为了业界“香饽饽”。细观晶圆代工产业链动态，从研发、争抢先进设备、再到抢单，台积电、三星、英特尔等大厂动作不断，同时新军Rapidus正强势入局，可见先进制程之战已悄然打响，并愈演愈烈。


从抢单开始，2nm战况如何？

随着GPU、CPU等高性能芯片不断对芯片制程提出了更高的要求，突破先进制程技术壁垒已是业界的共同目标。目前放眼全球，掌握先进制程技术的企业主要为台积电、三星、英特尔等大厂。

据TrendForce集邦咨询12月6日研究显示，2023年第三季全球前十大晶圆代工市场中，台积电以57.9%的市占率占据全球第一的位置，而三星以12.4的市占率位居全球第二，英特尔（IFS）位居全球第九位，市占率为1%。

多年来，台积电一直是晶圆代工产业的半壁江山，同时还手握着英伟达、苹果、高通等下游厂商多数订单，并成为人工智能芯片供应商的主要纯晶圆代工合作伙伴。其中，按英伟达此前披露的营收计算，台积电是全球最大的芯片代工制造商，也是英伟达高性能AI芯片的独家生产商。

不过，业界推测，接下来英特尔或将打破当下台积电独家代工英伟达高性能AI芯片的状况。英伟达首席财务官柯蕾丝（Colette Kress）近日在参加瑞银全球科技大会时暗示，英伟达不排除增加英特尔代工（IFS）作为其晶圆代工供应商，生产新一代芯片。

而近期台积电和三星也是动作频频。台积电先是向苹果和英伟达展示产品测试结果，后又拿下了苹果订单。据英国金融时报引述知情人士透露，台积电已向苹果和英伟达等大客户展示N2（即2nm）原型的制程工艺测试结果。

另据中国台湾工商时报报道，在全球芯片大厂争相发展2纳米制程之际，台积电再度胜出抢下苹果订单，预计2025年上市的iPhone 17 Pro将率先采用台积电2纳米芯片。

此外，近日台媒引述消息人士称，英伟达已向台积电下单销往中国大陆的人工智能处理器，这些订单是SHR (Super Hot Run，超级急件)，计划于2024年第一季度开始履行。

三星方面，消息称三星已拿到了高通的订单，高通已计划下一代高端手机芯片采用三星SF2（2nm）制程生产。同时，三星将推出2nm原型，并开出折扣价，以吸引英伟达等客户。

针对三星在2nm制程采降价抢单的传闻，台积电董事长刘德音向业界表示“客户还是看技术的质量”，透露出对台积电先进制程技术与良率优势的信心。

据业内人士透露台积电即将敲定其未来3nm和2nm客户，客户不太可能转移订单。除了苹果之外，AMD、英伟达、博通、联发科和高通也是台积电3nm和2nm芯片的客户。这些主要客户不太可能在2027年之前减少台积电3nm和2nm晶圆的开工量。


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）。

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。

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。

2nm未见果，1.8/1.4nm现身影

今年，先进制程动态不断，尤其是3nm、2nm等最先进制程。从共同点来讲，大厂们的目标无非是为了突破芯片技术壁垒，占领新技术高地，从而拿下更多市场份额。

此前晶圆代工厂商2nm以下制程的研发时间线曝光于公众视野时，就曾引起轰动，业界激烈讨论的重点仍是，该技术的进步是否能带来更好的性能和良率等问题，而也正因此2nm以下制程技术的热度一直居高不下。

笔者针对台积电、英特尔、三星、Rapidus芯片制程研发进行了最新跟踪：台积电1.4nm开发顺利；英特尔1.8nm 18A工艺研发完成；三星计划于2027年进入1.4nm半导体制程技术领域；Rapidus正在构建1nm芯片产品的供应体制。

台积电在IEEE国际电子器件会议（IEDM）的“逻辑的未来”小组上透露，台积电1.4nm级制造技术的开发进展顺利进行。据SemiAnalysis的Dylan Patel发布的幻灯片指示，台积电的1.4nm生产节点正式命名为A14。不过关于A14量产时程及其规格，台积电暂未披露更多信息，但鉴于N2计划于2025年末、N2P计划于2026年末，业界猜测A14会在此之后2027-2028年间推出。

关于台积电是否会采用垂直堆叠互补场效应晶体管（CEFT）结构，或是沿用2nm制程将采用的环绕栅极场效应晶体管（GAAFET），以及台积电是否会在2027年至2028年期间为其A14工艺技术采用高数值孔径EUV（High NA EUV）光刻机，目前仍尚不清楚。

英特尔方面，英特尔CEO帕特·基辛格在Intel Innovation Day论坛表示，Intel 18A制程目前有许多测试晶圆正在生产中，这一技术已经研发完成，正加速进入生产阶段。

据介绍，Intel 18A节点（1.8nm）由于尺寸进一步缩小，需采用RibbonFET晶体管，使用GAA全环绕栅极架构，类似多片纳米片堆叠在一起，这样不仅能够缩小尺寸，而且栅极能够更好地控制电流的流通，同时在任意电压下提供更强的驱动电流，让晶体管开关的速度更快，从而提升晶体管的性能。

基辛格表示，英特尔定下的“4年推进5代制程”目标正在稳步实现，希望在2025年重新夺回半导体生产领导者地位，超越台积电、三星。

英特尔称Intel 18A制程不会仅供内部使用，未来也将为爱立信等外部客户代工晶圆。此前基辛格于10月末透露，Intel 18A制程已于Q3敲定了三家晶圆代工客户，预计年底有望签下第四家。此外，用于下一代服务器、PC处理器的Intel 3制程技术，目前正在“除错”阶段，预计2024年即可投产。

从英特尔制程研发路线看，Intel 7制程技术已大量生产，Intel 4制程也已经量产，Intel 3制程准备开始量产，Intel 20A制程将如期于2024年量产，Intel 18A制程将是5代制程目标的终极制程，已确定相关设计规则，将于明年下半年量产。

三星方面，一直以来，三星在努力确保能采购更多EUV光刻机，目标是希望能在2024年上半年进入第二代3纳米制程技术，在2025年年底前推出2nm制程，2027年年底之前推出1.4nm制程。

三星是首家跨入并转型环绕式栅极（GAA）晶体管架构的公司，三星希望从SF3进展至SF2会相对流畅。三星旗下晶圆代工部门Samsung Foundry首席技术官Jeong Ki-tae表示，GAA结构晶体管是一项可持续的技术，此前的FinFET鳍式晶体管很难进一步改进。他还透露，三星正在与大客户就即将推出的2nm、1.4nm制程工艺进行谈判。

Rapidus方面，据报道，Rapidus、东京大学与法国半导体研究机构Leti合作，将研发1nm级别芯片设计基础技术，将在2024年开展人才交流、技术共享。Rapidus将利用Leti的技术，构建1nm芯片产品的供应体制。

报道指出，他们的共同目标是确立设计开发线宽为1.4nm——1nm半导体所需的基础技术。这一节点需要与传统不同的晶体管结构，Leti在该领域的成膜等关键技术上占优。

结语

在2nm及以下先进制程的竞争中，虽然研发最终成果还未具体披露，但从抢单、购买先进设备等动作也可见，各大厂已经在为日后未雨绸缪。丛上述披露的时间线来看，针对2nm制程的研发答案将于2025年揭晓，但更先进制程的战斗仍在继续，未来技术如何演变？我们拭目以待。