2nm芯片贵在哪里？谁在竞争2nm芯片？

近日，日本Rapidus 首席执行官 Atsuyoshi Koike 在接受《日经新闻》采访的时候表示，与目前其他日本公司生产的标准芯片相比，2nm芯片的成本将增加十倍。Rapidus是日本政府支持的半导体财团，其成立目的是超越世界领先的芯片制造商。他们认为，其2nm 芯片对日本至关重要，因为其中一些芯片将用于对国家安全至关重要的高性能计算应用，而其他芯片也能用于自动驾驶汽车和机器人等创新民用应用。

“2nm 芯片将比当今先进节点制造的芯片贵得多，与当今日本制造的‘主流’芯片（45nm）相比，价格上涨十倍，这是一个巨大的飞跃。”Atsuyoshi Koike说。不过，即使如此贵，Atsuyoshi Koike预计，在他们于2027 年开始 量产2nm之后，也有公司愿意为此买单。

芯片的成本构成

众所周知，随着 SoC 变得越来越复杂，围绕它们的经济因素也变得越来越复杂。其中包括要集成的功能和 IP、上市速度、功率和性能规格、金属层数、存储器的配置方式和使用的存储器数量以及目标市场等所有内容。其中每一个都有一个价格，并且它们加起来可以是一个非常大的数字。

Synopsys也在一篇博客文章中表示，每个芯片设计项目都是独一无二的，但有五个基本因素会影响总体成本：

第一是内容库（Content Libraries）；据介绍，所谓内容库由芯片设计项目中使用的第三方IP组成，包括常用功能、输入和输出（I/O）电路以及片上存储器。内容库许可费各不相同，但可能高达数千万美元。此外，公司还必须支付每个芯片的使用费，这应该计入项目预算。

第二是EDA工具；EDA工具可用于虚拟布局电路、模拟操作和验证性能。EDA 软件有多种形式，包括本地、云托管和软件即服务 (SaaS)。定价可以基于许可、基于使用或两者的组合。此外，EDA 工具还需要强大的计算机和大量存储容量，这意味着需要投资本地或云基础设施。

第三是制造芯片的代工厂按硅片收费；芯片越小，组织在每个晶圆上可以获得的芯片就越多。然而，随着芯片尺寸变小，其他设计成本（例如研发成本）也会变得更高。控制芯片设计成本意味着在高效晶圆使用和现实研发之间找到平衡。

第四是时间；产品进入市场的速度越快，项目的整体投资回报率就越高。除了设计芯片所花费的时间之外，公司还必须考虑流片和代工生产之间的滞后时间。每个设计都存在缺陷，在生产开始之前，设计师和晶圆厂必须解决这些缺陷。

最后，生产前的最后一步包括预测新芯片的需求并向代工厂承诺订单。这是一项复杂且高风险的操作。如果您订购的芯片太少，您将出现供应短缺并可能会损失销售；如果您订购太多，您可能会在未使用的库存上浪费数千甚至数百万美元。

此外，工艺的良率，芯片设计的质量和封测，也都是芯片的成本构成，由此可见，计算芯片的成本，并不是一件简单的事情。

相关资料显示，在主流节点（40 纳米到 65 纳米）上，如果从头开始，新芯片的价格大约为 4000 万美元到5000万美元之间。但这些节点的良率很高，而且软件开发成本也较低，且这些芯片在功能上并不处于领先地位，那就意味着往更先进的工艺前进，成本会继续飙升。这从IBS提供的数据可以看到。如图所示，进入到5nm时代，芯片的设计成本可以飙升到5.4亿美元，在工艺继续往后走，成本的继续升高是可以预期的。

不同工艺节点下的芯片设计成本

2nm，贵在哪里？

要讨论2nm贵在哪里，如上所述，这同时是一个复杂的问题。

不过，据笔者从相关供应链了解到。进入了这些先进工艺，无论是IP，还是EDA工具，其成本的提高都是能够理解的。而进入到这些先进芯片，因为一次性流片成本较高，这就使得相关验证成本水涨船高，这从IBS提供的上图可以看到，进入到2nm芯片时代，设计的成本是可以预期的。

值得一提的是，伴随着这些先进工艺而生的是先进制造和封装工艺，这带来的成本也是不容忽视的。

以制造端为例，根据IBS对晶圆厂的先进工艺投资测算，如果要建设一个3nm工艺，月产4万片的晶圆生产线，成本约为150亿到200亿美元。据台湾联合报之前报道，台积电将斥资 1 万亿新台币（约合 339 亿美元）在台湾台中市建造一座晶圆厂，生产 2 纳米芯片。Rapidus首席执行官Atsuyoshi Koike此前在接受采访时曾表示，公司需要投入2万亿日元用于研发才能开始试生产2nm，然后需要投资3万亿日元才能开始量产2nm芯片。

其中，EUV***和相应配套材料的成本增加，必然会是一个重要影响因素。

从DUV往EUV***推进的时候，作为芯片制造的主要成本之一的环节光刻成本有了新的提升。但在即将进入的high na euv光刻制造时代，单台***的制造成本将会从1亿多直接飙升到三亿多。虽然芯片在制造中使用的EUV的层数不会太多，例如据相关报道，在3nm工艺的时候，会采用多大25层EUV光刻曝光工艺。由此可见，这在进入2nm时代，势必会带来成本的提升。

进入到EUV时代，还有一个辅料需求增加，且成本会飙升，那就是掩模组（mask set）。

按照Semianalysis的报道，在 90nm 至 45nm 的代工工艺节点上，掩模组的成本约为数十万美元。28 纳米工艺的价格已超过 100 万美元。对于 7nm，成本增加超过 1000 万美元，而现在，当我们跨越 3nm 障碍时，掩模组将开始进入 4000 万美元范围。

晶圆成本的变化

关于芯片制造成本的飙升，我们可以从台媒泄露的台积电在相关晶圆报价上略知一二。

据Digitimes报道，与 N5（5 纳米级）生产节点相比，台积电将把使用其领先的 N3（3 纳米级）工艺技术加工的晶圆的价格提高 25%。换而言之，采用台积电领先的 N3 制造技术加工的一块晶圆将花费超过 20,000 美元 。作为对比，N5 晶圆的成本约为 16,000 美元，如下图所示。

报道进一步指出，台积电将为其即将推出的 2nm 节点进一步提高芯片生产价格。新的晶圆价格预估表明，台积电将对 2nm 芯片每片晶圆收取 25,000 美元的费用。

谁在竞争2nm？

正因为2nm无论是芯片设计还是建造晶圆厂成本都是如此昂贵，所以可以预期的是，仅有少量的厂商能够跨入2nm这个阶段。在Fabless方面，我们认为英伟达、苹果、高通、MTK和博通等领先厂商会是首批使用2nm的客户。在晶圆制造方面，则和大家所了解的一样，除了台积电、三星和Intel以外，文章开头提到的日本Rapidus会是其中的一个玩家。

首先看台积电方面，他们在去年首先推出初始版本的2nm工艺是该代工厂第一个使用环栅 (GAAFET) 晶体管的节点，台积电将其称为 Nanosheet 晶体管。与当前 FinFET 晶体管相比，GAAFET 的优势包括降低漏电流（因为栅极位于沟道的所有四个侧面），以及调整沟道宽度以获得更高性能或更低功耗的能力。

台积电去年推出这项技术时表示，在相同功耗和复杂度的情况下，可以将晶体管性能提升10%到15%，或者在相同时钟和晶体管数量的情况下，将功耗降低25%到30%。该公司还表示，N2 将提供比N3E高 15% 以上的“混合”芯片密度，这比去年宣布的 10% 密度增加有所增加。

在今年的技术大会上，台积电表示，N2技术开发已步入正轨，该节点将于2025年进入大批量生产（可能是2025年很晚）。该公司还表示，在进入 HVM 两年前，其 Nanosheet GAA 晶体管性能已达到目标规格的 80% 以上，256Mb SRAM 测试 IC 的平均良率超过 50%。

台积电的 N2 系列将在 2026 年的某个时候升级，届时该公司计划推出其 N2P 制造技术。N2P 将为 N2 的 Nanosheet GAA 晶体管添加背面电源轨技术。公司还在准备 N2X——一个专为高性能计算 (HPC) 应用（例如需要更高电压和时钟的高端 CPU）量身定制的制造工艺。

在三星方面，他们也表示，公司也将于将于 2025 年开始大规模生产用于移动应用的 2nm 芯片。三星还将在2026年提供用于高性能计算的2纳米芯片生产，并在2027年提供汽车芯片的工艺。

该公司表示，与去年推出的 3nm 工艺相比，其 2nm 工艺的性能和能效分别提高了 12% 和 25%，是芯片制造商中率先做到这一点的。三星表示，其 2nm 工艺还提供比 3nm 工艺小 5% 的芯片。该公司还表示，将于 2027 年开始量产采用 1.4 纳米工艺的芯片。

来到Intel，他们在今年三月初的一场会议上透露，公司已经完成了其 1.8 纳米和 2 纳米制造工艺开发。该公司将于 2024 年开始在内部和第三方产品中使用 1.8 纳米和 2 纳米制造工艺。他们表示，Intel 18A 每瓦性能提高 10%。Intel 20A 的每瓦性能提高了 15%。

至于rapidus，他们则计划通过和IBM、IMEC等机构合作，以推进其2nm研发。

毫无疑问，在技术以外，这是一场当之无愧的金钱竞赛。

审核编辑：刘清