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To maintain and strengthen TSMC’s technology leadership, the Company plans to continue investing heavily in R&D. For advanced CMOS logic, the Company’s 3nm and 2nm CMOS nodes continue to progress in the pipeline. In addition, the Company’s reinforced exploratory R&D work is focused on beyond-2nm node and on areas such as 3D transistors, new memory and low-R interconnect, which are on track to establish a solid foundation to feed into technology platforms.[1]
以上一段是摘自臺(tái)積電官網(wǎng)的未來(lái)研發(fā)計(jì)劃，從這段描述中可以看出，臺(tái)積電劍指2nm，甚至更先進(jìn)的工藝。在逼近物理極限的情況下，新工藝研發(fā)的難度以及人力和資金的投入，也是呈指數(shù)級(jí)攀升。在如此艱難的背景下，臺(tái)積電的底氣何在？我認(rèn)為有如下三點(diǎn)：
當(dāng)前的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)只是商業(yè)代號(hào)，而非Gete Lenth或Half-Pitch
如果有人問(wèn)芯片工藝的中的7nm、5nm指什么？那么我相信很多人都能給出答案--晶體管導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度或者柵極寬度，并且很多人也知道，當(dāng)前的7nm、5nm只是等效工藝節(jié)點(diǎn)，而非真正的溝長(zhǎng)或者柵寬。
如果進(jìn)一步問(wèn)一下這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)前5nm工藝真正的導(dǎo)電溝長(zhǎng)或者柵寬是多少呢？恐怕很多人回答不出來(lái)了。不賣關(guān)子了，IEEE給出的半導(dǎo)體工藝road map數(shù)據(jù)是比較可信的，從下圖中我們可以看到不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的工藝節(jié)點(diǎn)，而這表里對(duì)當(dāng)前工藝節(jié)點(diǎn)的英文描述則非常有意思，它沒(méi)有用“technology nodes”而是用Logic industry "Node Range" Labeling。
一個(gè)Labeling可以說(shuō)準(zhǔn)卻的表達(dá)了工藝命名的現(xiàn)狀。
來(lái)源:IEEE
所以從上表中，我們可以看到，5nm工藝節(jié)點(diǎn)的Gate Lenght為18nm、3nm為16nm、2.1nm為14nm、1.5nm/1.0nm/0.7nm則均為12nm。在十幾納米的尺度短溝道效應(yīng)可以用多種手段來(lái)克服，而量子遂穿效應(yīng)并不明顯，所以說(shuō)，臺(tái)積電說(shuō)自己在2030年將擁有1nm Labeling的芯片，我也完全相信。
事實(shí)上，從集成電路發(fā)明以來(lái)，工藝節(jié)點(diǎn)的定義也在不斷發(fā)生變化，從最初的Gate Length到現(xiàn)在，幾乎拋棄了各種真實(shí)參數(shù)Gate Length/Half Pitch/Fin Pitch等。雖然當(dāng)前的工藝命名背離了真實(shí)的工藝，但對(duì)于臺(tái)積電、三星等商業(yè)公司來(lái)說(shuō)，顯然從工藝命名上獲得了巨大的商業(yè)上的利益和成功。
此為底氣一。
Evolving Industry Node definitions 來(lái)源：INTERNATIONAL ROADMAPFORDEVICES AND SYSTEMS
雄厚的資金及資源加持
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)是非常緊密的，而現(xiàn)階段全球的半導(dǎo)體巨頭也組成了一個(gè)巨大的利益共同體。
臺(tái)積電擁有最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)
工欲善其事必先利其器，光刻機(jī)作為半導(dǎo)體制造中最重要的設(shè)備，擁有與否則決定了一家Fab的工藝上限。
一臺(tái)最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)價(jià)值近10億，而研發(fā)EUV光刻機(jī)的投入更是天文數(shù)字。除了ASML，制造光刻機(jī)還有兩家公司--尼康和佳能，但這兩家都因?yàn)橥度胩叨艞壯邪l(fā)。
EUV光線的能量、破壞性極高，制程的所有零件、材料，樣樣挑戰(zhàn)人類工藝的極限。例如，因?yàn)榭諝夥肿訒?huì)干擾EUV光線，生產(chǎn)過(guò)程得在真空環(huán)境。而且，機(jī)械的動(dòng)作得精確到誤差僅以皮秒（兆分之一秒）計(jì)。「如果我們交不出EUV的話，摩爾定律就會(huì)從此停止，」ASML總裁暨執(zhí)行長(zhǎng)溫彼得（Peter Wennink）說(shuō)。因此，五年前，才會(huì)出現(xiàn)讓ASML聲名大噪的驚天交易--英特爾、臺(tái)積電、三星等彼此競(jìng)爭(zhēng)的三大巨頭，竟聯(lián)袂投資ASML41億、8.38億、5.03億歐元。[2]
反過(guò)來(lái)，臺(tái)積電也從ASML可以訂購(gòu)到EUV光刻機(jī)，進(jìn)行新工藝的研發(fā)和產(chǎn)能的擴(kuò)充。
臺(tái)積電擁有最有錢的客戶
但說(shuō)到TSMC每一代最先的工藝，總少不了一位特殊的客戶，那就是蘋果。
5nm，3nm甚至是2nm技術(shù)都是由蘋果和臺(tái)積電在共同研發(fā)，因此蘋果在臺(tái)積電先進(jìn)工藝的產(chǎn)能擁有牢不可破的地位，將會(huì)獨(dú)占業(yè)界最先進(jìn)的工藝一段時(shí)間，吃盡制程紅利。同時(shí)蘋果也是臺(tái)積電最大的客戶，去年為臺(tái)積電貢獻(xiàn)了782.8 億人民幣的營(yíng)收。
此為底氣二。
2025年？三星也可以！
在今年10月份的三星代工論壇2021大會(huì)上，三星披露了最新的工藝進(jìn)展和路線圖。三星代工市場(chǎng)策略高級(jí)副總裁MoonSoo Kang透露，2GAP工藝會(huì)在2025年量產(chǎn)。隨著FinFet晶體管結(jié)構(gòu)潛力被挖掘殆盡，未來(lái)3nm和2nm將采用GAA晶體管以及2.5D/3D堆疊技術(shù)，以現(xiàn)更好的溝道控制的同時(shí)降低功耗。
新技術(shù)則為三星臺(tái)積電的底氣三。
晶體管的演進(jìn)
為什么要追求高工藝？
制程工藝的提升，可以帶來(lái)更高的晶體管密度、更強(qiáng)的性能以及更低的功耗。
我們?cè)倩貧w到工藝制程的原始定義，即芯片7nm，5nm工藝中的7nm，指的是晶體管導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度，通常也認(rèn)為是晶體管的柵極寬度。
那么這個(gè)Gate的寬窄為什么會(huì)影響性能和功耗呢?先說(shuō)性能，性能好意味著在一定的時(shí)間干更多的事，在處理器里就是更多的運(yùn)算，我們可以當(dāng)半導(dǎo)體晶體管每次0/1變化就算一次運(yùn)算，那么那個(gè)紅色Gate越寬，兩個(gè)綠色電極就越遠(yuǎn)，導(dǎo)致他們直接連通一次的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。這就好比一個(gè)人在10分鐘里做25m往返跑的次數(shù)肯定比50m往返跑的次數(shù)多一樣。所以Gate越小，晶體管一次狀態(tài)變化的所需時(shí)間就會(huì)越短，單位時(shí)間的工作次數(shù)就會(huì)越多，一堆晶體管單位時(shí)間可做的運(yùn)算自然就更多，所以性能更好。
再說(shuō)說(shuō)功耗。Gate是通過(guò)加電壓幫助兩個(gè)綠色電極通電的，而Gate越寬，就需要更高的電壓才能導(dǎo)通兩極，Gate越窄，導(dǎo)通就更容易，所需的電壓也就越低。
而做芯片則是性能，功耗，面積和成本的平衡藝術(shù)。如果制程工藝的提升能讓芯片在這幾方面都更進(jìn)一步，那么在工藝上投入大量的研發(fā)資則是可以理解的。
所以綜和以上幾個(gè)原因，臺(tái)積電作為半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)的巨頭，2025年量產(chǎn)2nm是有底氣的。在摩爾定律放緩的今天，More Moore、More than Moore、Beyond CMOS等新概念層出不窮，為摩爾定律續(xù)命。在未來(lái)十年，半導(dǎo)體工藝制程依然有相當(dāng)?shù)奶嵘臻g，所以關(guān)于半導(dǎo)體是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的論調(diào)可以休矣！
參考
[1] 臺(tái)積電未來(lái)研發(fā)計(jì)劃 https://www.tsmc.com/schinese/dedicatedFoundry/technology/future_rd
[2] http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5068998
