台积电能赢吗？2nm芯片大战一触即发！三星英特尔拼了

一生只为等你 · 发表于 2024-7-17 21:48:02

差不多一个月前，苹果 COO 杰夫·威廉姆斯 (Jeff Williams) 低调到访台积电，根据媒体报道，此行就为一件事：
确保给到苹果的 2nm 产能。
没办法，台积电的产能实在太抢手了。不管手机芯片厂商、PC 芯片厂商，还是 AI 芯片厂商都在争夺台积电「相对有限」的产能，以至于面对台积电的涨价也欣然接受，英伟达创始人兼 CEO 黄仁勋甚至公开力挺台积电涨价。
而后，台积电的市值一度冲上 1 万亿美元。
不过还好，还没有厂商能与苹果争夺台积电 2nm 的首发产能。据供应链目前透露，作为台积电最大客户，苹果已经规划在明年的 M5 芯片上首发采用台积电 2nm 工艺。
就在本周，台积电将提前启动 2nm 的试产。据工商时报援引业内人士报道，台积电 2nm 制程将于本周试产，苹果 M5 芯片不仅拿下 2025 年首批产能外，也将率先导入下一代 3D 先进封装工艺 SoIC（系统整合芯片）。
因为相对 AI 芯片采用的 CoWos 封装工艺更简单，所以预期 SoIC 封装工艺的产能将在明年扩大至少一倍，也就是每月 8 千片以上。
当然，2nm 不是台积电的独角戏，三星以及英特尔也都希望在这个节点缩短与台积电之间的差距，甚至实现超越。

图/三星
7 月 9 日，三星就在官网确认，日本人工智能公司 Preferred Networks（PFN）提前预订了三星 2nm 的产能，用来生产旗下第二代 AI 芯片。而英特尔这边，不仅准备了 20A（2nm）制程工艺，同期还有 18A（相当于 1.8nm）工艺。
但无论是台积电、三星还是英特尔，他们的最新计划都是计划在 2025 年投入量产，届时将是一场史无前例的 2nm 大战。
苹果 M5 首发，还有 SoIC 全新封装工艺

在今年 5 月 23 日的一场论坛上，台积电工艺开发副总经理张晓刚透露，目前 2nm 工艺开发进展顺利，「按计划 2025 年左右可实现量产。」
在 2nm 工艺节点上，台积电的准备可谓全面。首先是在晶体管架构上，台积电终于要在 2nm 工艺上采用全新的 GAA（Gate-All-Around）晶体管架构。不同于传统的 FinFET 架构，这种技术能够在性能和功耗上实现显著提升。
关于 GAA 技术，雷科技在《3nm 的芯片战争，才刚刚开始》中有过比较详细的介绍，其中就谈到：
计算性能最底层其实就是晶体管的「一开一关」，代表了二进制中的「0」和「1」，更底层是对晶体管内通道（又称沟道）的控制能力。FinFET 第一次将通道从横向转为竖向，而三星采用了宽通道（纳米片）的 GAAFET 技术，在单位面积内支持更多通道的控制……

晶体管架构变迁，图/三星
总而言之，GAA 晶体管是大势所趋，不过不同于三星在 3nm 节点上就导入这种晶体管架构，台积电早早就定下在 2nm 节点导入的计划。
此外，台积电的 2nm 工艺还可能引入了背面供电技术，这种技术通过在芯片背面布置电源轨，减少了电源传输路径中的阻抗，提高了电源效率和信号完整性。简言之，就是提高通过电源利用率，来提高芯片的能效。
但尽管台积电此前表示，将在 2026 年将背面供电技术率先导入 N2P 工艺（台积电 2nm 的一个版本），最近却有报道指出，N2P 仍将采用常规供电电路。
不过可以肯定的是，台积电 2nm 工艺的全系版本都将增加全新的 NanoFlex。

图/台积电
在今年 4 月的北美峰会上，台积电专门提到了 NanoFlex 技术，并表示 NanoFlex 将使芯片设计人员能够在同一块设计中混合和匹配来自不同库（高性能、低功耗、面积高效）的单元，从而使设计人员能够微调其芯片设计，以优化性能、功率和面积（PPA）。
另外根据台积电官方介绍，台积电 2nm 将于 2025 年下半年开始量产。而与 N3E 节点（台积电第二代 3nm 工艺）相比，N2 工艺在相同功耗下的性能提升了 10%到 15%，在相同性能下功耗降低了 25%到 30%。
这些改进使得 2nm 工艺能够在高性能计算和移动设备中发挥关键作用，不管是智能手机、PC，还是红得发紫的 AI 芯片都将受益于这种技术提升，实现更强的算力和更低的功耗。

台积电工艺路线图，图/台积电
但还不只如此，台积电的 2nm 制程工艺还配套全新一代的封装工艺。
除了在晶体管架构和电源管理上的创新，台积电在 2nm 工艺中还引入了全新的 SoIC（System on Integrated Chips）封装技术。SoIC 技术能够将多个芯片垂直堆叠在一起，通过硅通孔（TSV）实现高效的电气互连，形成紧密的三维结构。
与传统的封装方式相比，SoIC 技术不仅能够大幅提升芯片的集成度和功能密度，还能显著降低系统的功耗和延迟。
在此之前，台积电 CoWoS 封装工艺已经「征服」了英伟达、AMD 等大量芯片设计厂商的 AI 芯片，让他们离不开台积电。在最新一代的 MI300 AI 芯片上，AMD 还率先采用 SoIC+CoWoS 的封装方案。

MI300，图/ AMD
但在 AMD 之后，苹果 M5 系列可能是最先大规模采用 SoIC 封装工艺的产品。
同时作为台积电最大的客户，苹果也不意外是台积电 2nm 工艺的首发客户。按照目前流出的信息，M5 处理器将集成更多的核心、更高的频率和更强大的图形处理能力，进一步提升苹果设备的性能和用户体验。
三星紧追不放

在 2nm 工艺的竞争中，三星依然对台积电紧追不放。
在 3nm 工艺节点上，三星的表现并不尽如人意，第一代 3nm 工艺（SF3E）主要用于加密货币矿机芯片，始终没能在更广泛的市场上——比如手机、PC、HPC 等领域取得成功。
三星在 3nm 工艺上的失败主要归因于良率问题和性能未达预期，这导致许多客户转向竞争对手。所以为了应对这些挑战，三星声称在今年的第二代 3nm 工艺（SF3）中下「足了功夫」，其中之一是：
改名为「2nm 工艺」。
此前，Digitimes、ZDNet Korea 援引不同消息源指出，三星已经向客户和合作伙伴通知「第二代 3nm 工艺」更名为「2nm 工艺」，有业内人士还表示收到了三星关于更名的通知，还需要重新签订合同。
这不是三星第一次更名制造工艺了。2020 年，在从 7nm 过渡到 5nm 工艺时，三星就曾将「第二代 7nm 工艺」更名为「5nm 工艺」。
不过真的假不了，假的真不了，三星真正的 2nm 工艺（SF2）计划于 2025 年投入量产。

三星工艺路线图，图/三星
在 6 月举办的 VLSI 技术研讨会（全称「超大规模集成电路国际研讨会」）上，三星就介绍了其采用 GAA 晶体管技术的第三代工艺——SF2，也是三星真正的 2nm 工艺。
按照三星的介绍，SF2 将通过引入独特的外延和集成工艺，「从而最大程度地提高栅极环绕优势，克服了产品增益与缩放和 GAA 结构冲突的问题。」具体到数据上，这将使其能够将晶体管性能提高 11-46%，与未指定的基于 FinFET 的工艺技术相比，可变性降低 26%，同时将泄漏降低约 50%。
值得一提的是，SF2 可能也是三星第一个引入背面供电技术的节点。据悉，三星已在两款 ARM 芯片上测试了 BS-PDN 技术，结果芯片尺寸分别缩小了 10%和 19%，性能和效率最高提升了 9%。

图/三星
此外，三星在第一代 3nm 工艺中就率先引入了 GAA 技术，这种技术上的重大切换，在一定程度上影响了三星在 3nm 的良率表现。不过反过来，这也让三星更早了解和解决导入 GAA 技术带来的挑战。
这种优势，或许将使得三星能够在高性能计算、移动设备和其他需要高效能的应用场景中抢占先机。
为了做到这一点，三星不仅在技术研发上加大投入，还与超过 50 家知识产权（IP）合作伙伴合作，持有 4000 多项 IP，试图构建了一个强大的 2nm 生态系统。包括今年早些时候与 Arm 签署了一项协议，核心就是共同优化 Cortex-X 和 Cortex-A 内核，以适应三星的全栅极晶体管制造技术。
广泛地合作，也有助于三星在 2nm 工艺上取得更大的市场份额。

图/三星
至少在本月，三星将原本台积电的客户——日本人工智能公司 PFN 抢了过来，促成了三星第一份公开的 2nm 芯片代工订单。
同时，高通也是三星可以争取的大客户。今年 2 月有消息传出，高通同时向三星和台积电委托了 2nm 芯片的开发和试产，至少说明了骁龙 8 Gen 5 还没有花落谁家。
英特尔能否后来居上？

当然的，作为半导体行业的老牌劲旅，英特尔在 2nm 节点上的布局同样不容小觑。英特尔的 2nm 工艺节点被称为 20A，原本预计将在 2024 年下半年开始量产，但目前也推迟到了 2025 年。
在 20A 工艺上，英特尔也将首发导入自己的背面供电技术（PowerVia）以及 GAA 晶体管架构（RibbonFET），以进一步优化性能和能效。以及通过 Foveros 和 EMIB 等先进封装技术，来提升芯片的集成度和性能。
不过英特尔的 20A 工艺，更多还是面向内部的芯片设计部门，也更像是初期版本。真正对外的「2nm 节点」，其实是「四年五代工艺」原计划的终点——英特尔 18A，比如微软就官宣将在未来基于英特尔 18A 工艺制造自研芯片，包括英特尔自家的 Clearwater Forest 也是基于 18A 工艺。

四年五代工艺，图/英特尔
此外，从 20A、18A 开始，英特尔还将采用被台积电 CEO 魏哲家惊呼「很好但太贵」的 High NA EUV 光刻机。
至于英特尔能不能实现「四年五代工艺」的工程奇迹，甚至重回芯片代工世界的巅峰，还是要看届时的落地情况。
写在最后

最近几年，很多人开始越来越重视芯片这个「幕后英雄」，也连带重视起了芯片制造这个关键环节。
毫无疑问，2nm 工艺节点的到来，标志着半导体制造技术的又一次重大飞跃。台积电、三星和英特尔三大代工厂在这一节点上的竞争，将对未来的高性能计算和移动设备市场产生深远影响。
至于对工艺演进逼近物理极限的担忧，我还是更愿意相信台积电创始人张忠谋的那句：「柳暗花明又一村。」
2024上半年，科技圈风起云涌。
大模型加速落地，AI手机、AI PC、AI家电、AI搜索、AI电商……AI应用层出不穷；
Vision Pro开售并登陆中国市场，再掀XR空间计算浪潮；
HarmonyOS NEXT正式发布，移动OS生态生变；
汽车全面进入“下半场”，智能化成头等大事；
电商竞争日益剧烈，卷低价更卷服务；
出海浪潮风起云涌，中国品牌迈上全球化征程；
……
7月流火，雷科技·年中回顾专题上线，总结科技产业2024上半年值得记录的品牌、技术和产品，记录过去、展望未来，敬请关注。

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