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5nm剛實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，3nm還未投產(chǎn)，2nm的角逐卻已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段，各方面都在積極籌備當(dāng)中，圍繞著晶圓廠臺(tái)積電，各大半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商、材料工藝服務(wù)商、EDA工具廠商，以及主要客戶，都開(kāi)始將越來(lái)越多的精力向2nm轉(zhuǎn)移。
晶圓廠：臺(tái)積電領(lǐng)先，歐洲發(fā)力
目前來(lái)看，在3nm和2nm制程方面，臺(tái)積電相對(duì)于三星的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)很明顯。
2019年，臺(tái)積電率先開(kāi)始了2nm制程技術(shù)的研發(fā)工作。相應(yīng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)的中心和芯片生產(chǎn)工廠主要設(shè)在中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的新竹，同時(shí)還規(guī)劃了4個(gè)超大型晶圓廠，主要用于2nm及更先進(jìn)制程的研發(fā)和生產(chǎn)。
按照規(guī)劃，臺(tái)積電有望在 2023 年中期進(jìn)入 2nm 工藝試生產(chǎn)階段，并于一年后開(kāi)始批量生產(chǎn)。
2020年9月，臺(tái)積電2nm工藝取得重大突破，研發(fā)進(jìn)度超前，業(yè)界看好其2023年下半年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)良率就可以達(dá)到90%。
3月9日，歐盟委員會(huì)提出數(shù)字化轉(zhuǎn)型最新目標(biāo)：到2030年，歐洲先進(jìn)和可持續(xù)半導(dǎo)體的生產(chǎn)總值至少占全球生產(chǎn)總值的20%，生產(chǎn)能力沖刺2nm，能效達(dá)到今天的10倍。
經(jīng)過(guò)中美科技戰(zhàn)，歐洲更加意識(shí)到科技獨(dú)立自主的重要性，決心搞自己的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，建立自己的2nm晶圓廠。
但是從歐洲視角來(lái)看，臺(tái)積電屬于中國(guó)，受美國(guó)管制，卻跟自己沒(méi)多大關(guān)系。最該擔(dān)心的其實(shí)應(yīng)該是歐盟。所以，歐洲下定決心，必須建立自己的先進(jìn)的2nm晶圓廠。
今年2月，歐洲議會(huì)批復(fù)了《復(fù)蘇和恢復(fù)基金》（RRF），該基金將提供6725億歐元（5.2萬(wàn)億人民幣）的贈(zèng)款和貸款，持續(xù)三年，面向歐盟各國(guó)政府提供最高13%的預(yù)融資。
簽署聯(lián)合聲明的成員國(guó)達(dá)成的協(xié)議是，撥出至少20%的RRF資金支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型，未來(lái)2到3年，這筆資金將達(dá)到1450億歐元（折合約1.1萬(wàn)億人民幣）。
設(shè)備：光刻機(jī)也必須與制程賽跑
對(duì)于2nm和更先進(jìn)制程工藝來(lái)說(shuō)，EUV光刻機(jī)的重要性越來(lái)越高，但是EUV設(shè)備的產(chǎn)量依然是一大難題，而且其能耗也很高。
到2022年，當(dāng)3nm大規(guī)模生產(chǎn)、2nm準(zhǔn)備試產(chǎn)，需要的新EUV光刻機(jī)數(shù)量預(yù)計(jì)為57臺(tái)。
2023年，當(dāng)3nm生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、2nm開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)時(shí)，所需新EUV光刻機(jī)數(shù)達(dá)到58臺(tái)。
到2024年，啟動(dòng)2nm的大規(guī)模生產(chǎn)，2025年生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，到時(shí)所需新EUV光刻機(jī)數(shù)預(yù)計(jì)為62臺(tái)。
前不久，中國(guó)中科院的研究人員宣布，已經(jīng)突破了設(shè)計(jì)2nm芯片的瓶頸，成功地掌握了設(shè)計(jì)2nm芯片的技術(shù)。
然而我國(guó)尚不具備5nm芯片的光刻機(jī)，更不用說(shuō)2nm的光刻機(jī)了，即使我國(guó)中科技具備了2納米芯片的研發(fā)技術(shù)，依舊無(wú)法在實(shí)踐中大量推廣。
去年的芯片禁令讓很多人意識(shí)到高端芯片的生產(chǎn)離不開(kāi)尖端EUV光刻機(jī)，但在全世界范圍內(nèi)，這一關(guān)鍵設(shè)備確僅有ASML一家公司可以生產(chǎn)，處于絕對(duì)壟斷地位。
但是，按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，5nm制程工藝似乎已經(jīng)不滿足后續(xù)市場(chǎng)的需求，眾多晶圓代工廠已經(jīng)開(kāi)始布局更高制程工藝的研究。
為此，ASML不得不調(diào)整策略，開(kāi)始研發(fā)全新的下一代EUV光刻技術(shù)。
材料和工藝：互連技術(shù)將升級(jí)
著先進(jìn)工藝一步步向高端邁進(jìn)，芯片制造商持續(xù)在最新工藝節(jié)點(diǎn)的晶體管制造技術(shù)上取得進(jìn)步，但互連技術(shù)似乎跟不上先進(jìn)工藝的步伐。
隨著晶體管尺寸的縮小，連接它們的金屬線也必須在多層互連堆積的整體層高結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。
傳統(tǒng)上一般采用銅互連，但是發(fā)展到2nm，相應(yīng)的電阻電容（RC）延遲問(wèn)題非常突出。
目前，面向2nm及更先進(jìn)制程的新型互連技術(shù)主要包括：
混合金屬化或預(yù)填充，將不同的金屬嵌套工藝與新材料相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更小的互連和更少的延遲；
半金屬嵌套，使用減法蝕刻，實(shí)現(xiàn)微小的互連；
超級(jí)通孔、石墨烯互連和其他技術(shù)。
混合金屬化在互連中使用兩種不同的金屬。對(duì)于2nm來(lái)說(shuō)，這很有意義，與雙金屬嵌套相比，通孔電阻更低，可靠性會(huì)提高；同時(shí)可以保持互連中銅的低電阻率。
臺(tái)積電和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)交大聯(lián)手，開(kāi)發(fā)出全球最薄、厚度只有0.7納米的超薄二維半導(dǎo)體材料絕緣體，可望借此進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出2nm，甚至是1nm的電晶體通道。
在先進(jìn)工藝上，目前臺(tái)積電、三星及英特爾等幾家實(shí)力強(qiáng)大，日本公司主要是在光刻膠、硅片等材料有較大優(yōu)勢(shì)，但日本也沒(méi)有放棄先進(jìn)工藝上的努力。
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體研究中心（ TSRI ）等展開(kāi)合作，開(kāi)發(fā)了用于新一代半導(dǎo)體的新型晶體管結(jié)構(gòu)。
與此前的晶體管相比， CFET結(jié)構(gòu)的晶體管性能高、面積小， 有助于制造 2nm 以下線寬的新一代半導(dǎo)體。
三星計(jì)劃在3nm的時(shí)候生產(chǎn)下一代晶體管，稱為環(huán)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。臺(tái)積電計(jì)劃將FinFETs擴(kuò)展到3nm，但將在2nm左右遷移到環(huán)柵。
當(dāng)鰭（fin）寬度達(dá)到5nm（相當(dāng)于3nm節(jié)點(diǎn)）時(shí)，F(xiàn)inFETs接近其實(shí)際極限。環(huán)柵晶體管比FinFETs具有更好的性能、更低的功耗和更低的漏電，但它們的制造難度更大，成本也更高。
其他新的和更有前途的互連解決方案即將出現(xiàn)，但它們可能要到2023年的2nm到來(lái)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。
EDA工具：高精尖技術(shù)集中在少數(shù)人手中
EDA作為集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的命脈，自始至終連接和貫穿著芯片制造和科技應(yīng)用的發(fā)展；芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試，直至電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，每個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)EDA工具。
中美貿(mào)易戰(zhàn)拉開(kāi)大幕，EDA禁運(yùn)首當(dāng)其沖，成為卡脖子工程。EDA的的戰(zhàn)略性，重要性被推到空前高度。
面對(duì)2nm高精尖的制程工藝，Cadence和Synopsys創(chuàng)建了全新的EDA工具堆棧，并開(kāi)發(fā)全新的IP庫(kù)。
2nm制程要求芯片開(kāi)發(fā)人員必須采用全新的設(shè)計(jì)規(guī)則和流程，并重新制作他們以前可能使用過(guò)的所有內(nèi)容。
目前國(guó)內(nèi)的EDA工具很分散，提供不了全套的工具鏈，而國(guó)際EDA公司提供給芯片企業(yè)的一般都是全套工具。
國(guó)內(nèi)EDA產(chǎn)業(yè)面臨的最大問(wèn)題就是國(guó)內(nèi)沒(méi)有形成一個(gè)完整的、互相促進(jìn)的產(chǎn)業(yè)鏈，抱團(tuán)一直是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最重要方向。
國(guó)內(nèi)EDA工具廠商鮮少參與晶圓廠和設(shè)計(jì)公司的合作研發(fā)，有EDA產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)，也得不到使用和反饋，進(jìn)而難以進(jìn)步。
中國(guó)EDA已迎來(lái)最好的時(shí)代，華大九天、國(guó)微集團(tuán)、芯華章、廣立微、概倫電子、芯和半導(dǎo)體等多家國(guó)產(chǎn)EDA公司已整裝待發(fā)，期待能以厚積薄發(fā)的技術(shù)實(shí)力快速完善中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，支持5G、人工智能、云計(jì)算等多項(xiàng)未來(lái)科技的發(fā)展。
未來(lái)本土EDA的發(fā)展之路，還得靠腳踏實(shí)地、一步一個(gè)腳印地走出來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)真正的本土化。
結(jié)尾
2nm先進(jìn)制程的每個(gè)環(huán)節(jié)和細(xì)分領(lǐng)域均環(huán)環(huán)相扣，只有通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)動(dòng)，才能獲得成功。而蘋(píng)果最有可能成為最先嘗鮮2nm芯片的廠商，此外在2024年之后，高通、英偉達(dá)、AMD等都會(huì)成為其2nm技術(shù)的廠商。
