公眾號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。

半導體行業(yè)正進入邏輯技術的轉折點，各大晶圓代工廠預計將展示其采用環(huán)柵（GAA）場效應晶體管（FET）的2納米工藝技術。三大廠商——英特爾、三星晶圓代工和臺積電——都計劃在2026年將2納米工藝推向市場，分別命名為英特爾18A、三星SF2和臺積電N2。這些技術的推出將重新定義高性能計算（HPC）、人工智能（AI）加速和先進移動平臺領域的競爭格局。

首批采用 2nm 工藝的芯片將是 PC 和移動 SoC，而非（許多人可能認為的）AI 加速器或 HPC 設備。AI 服務器市場的大部分仍然依賴于先進的 3nm 甚至 4nm 工藝。AMD 的 Venice EPYC 處理器有望成為首款采用臺積電 N2 工藝的 HPC 芯片，預計于 2026 年上市。

3.5個巨頭的混戰(zhàn)

奔向2nm，目前主要是英特爾、三星和臺積電三巨頭的戰(zhàn)場。另外，還有個日本Rapidus正在虎視眈眈，我們算他0.5個巨頭。

首先看英特爾，今年2月，英特爾率先將自主研發(fā)的PC SoC芯片Panther Lake推向市場。早期部署18A芯片并非表明英特爾在晶圓代工領域擁有廣泛的領先地位，而是展現(xiàn)了英特爾將先進的晶體管和電源傳輸創(chuàng)新技術按時集成到出貨產(chǎn)品中的能力。

這一成就既具有戰(zhàn)略意義，也體現(xiàn)了英特爾自身的內(nèi)部實力。英特爾能夠推進其芯片設計，這反映了其工藝執(zhí)行能力的提升。此前，英特爾與無晶圓廠公司的合作僅限于微軟——其重要的旗艦客戶——但僅限于小批量產(chǎn)品。自Panther Lake成功發(fā)布以來，英特爾獲得了其他客戶的支持，其中包括蘋果公司，這無疑是一個重要的證明。

英特爾在其 2nm 工藝中進行了兩項技術飛躍，可謂冒險之舉：GAA 晶體管和通過 PowerVia 早期采用背面供電 (BSP)。雖然 BSP 在電源完整性和擴展效率方面具有長期優(yōu)勢，但也代表著與傳統(tǒng)設計方法在結構上的差異。采用 BSP 需要對設計進行大幅重新架構，這限制了習慣于正面供電的客戶立即移植到新系統(tǒng)的能力。

相比之下，競爭對手的代工廠預計將推遲 BSP 的實施，預計要到本十年晚些時候，而更廣泛的行業(yè)采用預計將在 2027 年左右。這種時間上的錯位使得英特爾早期部署 BSP 既是優(yōu)勢也是劣勢：它有利于早期學習和內(nèi)部優(yōu)化，但也提高了尋求近期設計遷移的外部客戶的門檻。

其次看三星，他們正在憑借良率恢復獲得信譽。

三星現(xiàn)已將其采用 SF2 工藝的 Exynos 2600 智能手機 SoC 推向市場。SF2 對三星而言并非一次技術飛躍，因為三星早在 3nm 工藝中就已采用 GAA 架構。然而，據(jù)報道，其早期的 GAA 工藝良率較低。雖然與競爭對手相比，SF2 架構與上一代相比變化不大，但三星似乎已采取措施解決良率問題。這一點體現(xiàn)在其大部分 Galaxy 智能手機中重新采用 Exynos 芯片；上一代 Galaxy 手機主要依賴高通 SoC，這表明三星一直在努力提高良率，以支持自身產(chǎn)品，更不用說外部客戶了。三星 SF2 工藝的意義更多體現(xiàn)在商業(yè)層面而非技術層面。

再看臺積電，他們正在以來規(guī)模化執(zhí)行鞏固期領導地位。

所有人都在翹首以盼市場領導者臺積電的N2制程技術。這項技術很可能在年底前應用于蘋果iPhone。這將是臺積電首次應用GAA技術。與三星一樣，臺積電也不會在這一代產(chǎn)品中采用BSP技術。臺積電的聲譽建立在其持續(xù)按時交付大批量產(chǎn)品的能力之上。

雖然我們預計這一優(yōu)勢將得以延續(xù)，但值得注意的是，其最重要的客戶蘋果公司也已與英特爾展開合作。我們認為這與蘋果公司對臺積電持續(xù)供貨能力的任何擔憂無關，并且我們預計蘋果公司將繼續(xù)高度依賴臺積電的產(chǎn)能。更確切地說，這是“產(chǎn)能緊縮”和尖端制造工藝交貨周期過長，以及地緣政治因素共同作用的結果，因為現(xiàn)任美國政府正在推動制造業(yè)回歸美國本土。

再看Rapidus這個新興競爭對手。

2027年，另一家新的晶圓代工廠Rapidus將攜其2HP工藝技術進軍人工智能（AI）和高性能計算（HPC）市場。其HPC業(yè)務的發(fā)展計劃可能與其他主要廠商非常相似。然而，Rapidus在制造工藝方面的經(jīng)驗積累可能不及其他公司。Rapidus能否實現(xiàn)具有競爭力的良率和大規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)支持仍是未知數(shù)，但它的出現(xiàn)反映了地緣政治和供應鏈方面日益增長的壓力，促使先進半導體制造實現(xiàn)多元化。

2nm的成功，取決于什么？

這些方法之間的差異正變得越來越清晰。英特爾優(yōu)先考慮通過BSP集成實現(xiàn)架構創(chuàng)新；三星專注于在早期GAA良率挑戰(zhàn)后恢復制造信心；臺積電則繼續(xù)強調(diào)執(zhí)行穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模。與此同時，像Rapidus這樣的新玩家正在涌現(xiàn)。其結果是，競爭格局不僅取決于晶體管密度，還取決于可制造性、客戶遷移路徑和供應鏈彈性。

更重要的是，設計、開發(fā)和制造 2nm 及以下的芯片需要一系列全新的商業(yè)和技術權衡，從架構構思到制造良率，每一步都會產(chǎn)生更大的影響。

在如此小的尺寸下，縮小器件特征的主要目標是實現(xiàn)每瓦性能的數(shù)倍提升，但這并非像在硅片上集成更多晶體管那么簡單。在這樣的尺寸下，幾個原子的偏差，或者信號路徑中納米級的空隙或毛刺，都可能影響性能。導線和金屬層變得如此纖薄，任何異常都可能導致意料之外的熱梯度和熱遷移，從而降低可靠性并縮短器件壽命。此外，諸如光刻膠之類的材料需要極高的純度，其雜質(zhì)含量必須以千萬億分之一來衡量。

復雜性在各個層面呈爆炸式增長，并可能在意想不到的地方產(chǎn)生連鎖反應。多芯片組件可能包含數(shù)百億甚至數(shù)千億個晶體管、多種不同類型的存儲器，以及多層/多芯片布線和供電方案。要管理所有這些組件，無論是在局部還是全局層面，都需要跨越傳統(tǒng)壁壘的多個專業(yè)領域，并且?guī)缀跛蟹矫娑夹枰啻蔚?/p>

從經(jīng)濟角度來看，幾乎所有前沿芯片設計都針對特定供應商或工作負載。財力雄厚的公司能夠負擔得起這些價格昂貴的先進節(jié)點芯片，他們希望芯片能夠針對特定數(shù)據(jù)類型和運行條件進行定制，并且希望能夠在多代衍生芯片中利用這種定制化特性。與此同時，代工廠也需要能夠?qū)⑼顿Y擴展到單個客戶之外。滿足這兩方面需求的方法是：在芯片堆疊的底層使用通用金屬層（通常需要借助一些非常昂貴的工具和設備進行開發(fā)），同時在金屬堆疊的上層增加更多定制化元素。

幾乎所有這些尖端芯片都是異構的。雖然部分邏輯電路采用 2 納米或 18 埃工藝，但大多數(shù)設計也使用了采用較舊工藝開發(fā)的芯片進行封裝。混合制造工藝并非新鮮事，但這些組合的規(guī)模和潛在影響正變得越來越具有挑戰(zhàn)性。像谷歌、特斯拉、微軟和 Meta 這樣的大型系統(tǒng)公司不斷追求更高的性能，這需要比單個光罩所能提供的更大的面積。至少到目前為止，解決方案是將不同的功能劃分成芯片組，并使用中介層將它們連接起來，這樣每個系統(tǒng)的邏輯密度就比單個光罩大小的 SoC 所能提供的要高得多。但隨著芯片組數(shù)量的增加，這種方法很容易從一個難題變成一個無法解決的問題。

擴展到最先進工藝節(jié)點的最大優(yōu)勢在于降低每平方毫米的功耗。過去，僅僅為了增加晶體管數(shù)量而進行工藝擴展——這在FinFET時代之前是提升性能的標準方法——在過去五個工藝節(jié)點中帶來的性能提升卻十分有限。不同代工廠的結果有所不同，但每個節(jié)點的性能提升幅度不超過20%（有時甚至只有個位數(shù)），而且往往是以犧牲功耗為代價的。這反過來又導致了2.5D架構（在人工智能數(shù)據(jù)中心內(nèi)部）的激增，這種架構由通用處理器和高度專用的加速器組成，并通過大型硅中介層連接。

CPU、GPU、DSP、MCU 和 FPGA 屬于通用處理器，而 NPU 和 TPU 則用于處理特定數(shù)據(jù)類型。市面上也出現(xiàn)了一些新型混合處理器，例如 Arm 的新型 AGI CPU 和一些神經(jīng)形態(tài)處理器。但要實現(xiàn)性能的量級提升，需要將多種類型的處理器組合在一起，無論是集成在單個芯片上、封裝內(nèi)連接在一起、安裝在電路板上還是機架中。而且，無論采用哪種方式，都需要大量的散熱和設備監(jiān)控，以確保處理器和存儲器之間的數(shù)據(jù)路徑暢通無阻。

此外，工藝尺寸縮小到3nm以下會導致柵極漏電流增加，以至于鰭式場效應晶體管（FinFET）存在嚴重的漏電流問題。這反過來又會增加熱密度，加劇散熱難題。目前，解決這個問題的方法是采用環(huán)柵場效應晶體管（也稱為納米片），但芯片制造商正在研發(fā)互補的場效應晶體管工藝，預計將在未來幾個埃節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)。

總而言之，衡量向2nm工藝過渡的標準將不僅僅在于晶體管密度。良率穩(wěn)定性、生態(tài)系統(tǒng)兼容性、供電架構和制造規(guī)模將決定哪些代工廠能夠在2nm時代取得成功。隨著行業(yè)從FinFET時代過渡到GAA時代，競爭不再是誰率先達到新的制程節(jié)點，而是誰能大規(guī)模可靠地生產(chǎn)出所需的器件。

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

今天是《半導體行業(yè)觀察》為您分享的第4431內(nèi)容，歡迎關注。

加星標??第一時間看推送

求推薦