芯片先进制程之争：2nm战况激烈，1.8/1.4nm苗头显露

相比成熟制程，近年随着AI、数据中心等应用驱动，先进制程成为了业界“香饽饽”。细观晶圆代工产业链动态，从研发、争抢先进设备、再到抢单，台积电、三星、英特尔等大厂动作不断，同时新军Rapidus正强势入局，可见先进制程之战已悄然打响，并愈演愈烈。

从抢单开始，2nm战况如何？

随着GPU、CPU等高性能芯片不断对芯片制程提出了更高的要求，突破先进制程技术壁垒已是业界的共同目标。目前放眼全球，掌握先进制程技术的企业主要为台积电、三星、英特尔等大厂。

据TrendForce集邦咨询12月6日研究显示，2023年第三季全球前十大晶圆代工市场中，台积电以57.9%的市占率占据全球第一的位置，而三星以12.4的市占率位居全球第二，英特尔（IFS）位居全球第九位，市占率为1%。

多年来，台积电一直是晶圆代工产业的半壁江山，同时还手握着英伟达、苹果、高通等下游厂商多数订单，并成为人工智能芯片供应商的主要纯晶圆代工合作伙伴。其中，按英伟达此前披露的营收计算，台积电是全球最大的芯片代工制造商，也是英伟达高性能AI芯片的独家生产商。

不过，业界推测，接下来英特尔或将打破当下台积电独家代工英伟达高性能AI芯片的状况。英伟达首席财务官柯蕾丝（Colette Kress）近日在参加瑞银全球科技大会时暗示，英伟达不排除增加英特尔代工（IFS）作为其晶圆代工供应商，生产新一代芯片。

而近期台积电和三星也是动作频频。台积电先是向苹果和英伟达展示产品测试结果，后又拿下了苹果订单。据英国金融时报引述知情人士透露，台积电已向苹果和英伟达等大客户展示N2（即2nm）原型的制程工艺测试结果。

另据中国台湾工商时报报道，在全球芯片大厂争相发展2纳米制程之际，台积电再度胜出抢下苹果订单，预计2025年上市的iPhone 17 Pro将率先采用台积电2纳米芯片。

此外，近日台媒引述消息人士称，英伟达已向台积电下单销往中国大陆的人工智能处理器，这些订单是SHR (Super Hot Run，超级急件)，计划于2024年第一季度开始履行。

三星方面，消息称三星已拿到了高通的订单，高通已计划下一代高端手机芯片采用三星SF2（2nm）制程生产。同时，三星将推出2nm原型，并开出折扣价，以吸引英伟达等客户。

针对三星在2nm制程采降价抢单的传闻，台积电董事长刘德音向业界表示“客户还是看技术的质量”，透露出对台积电先进制程技术与良率优势的信心。

据业内人士透露台积电即将敲定其未来3nm和2nm客户，客户不太可能转移订单。除了苹果之外，AMD、英伟达、博通、联发科和高通也是台积电3nm和2nm芯片的客户。这些主要客户不太可能在2027年之前减少台积电3nm和2nm晶圆的开工量。

与此同时，日本半导体初创公司Rapidus将为加拿大公司代工2nm AI芯片。11月16日，Rapidus与加拿大初创芯片公司Tenstrent在美国交换商业谅解备忘录，前者将为后者代工AI芯片。Rapidus的目标是在2027年在日本国内量产2nm制程芯片，目前正寻求产业链的合作。

2nm关键设备EUV，厂商“抢疯了”

随着EUV光刻机在7nm以下制程的重要性日益增强，半导体大厂与ASML的合作也变得更加频繁和紧密。目前台积电与三星都在使用EUV设备进行制造，包括台积电7nm、5nm、3nm制程，三星于韩国华城建置的EUV Line (7nm、5nm及4nm)、以及3nm GAA制程等。在2nm制程上，台积电、三星、英特尔、Rapidus都已接洽ASML，其目的正是为了能使2nm制程量产的关键设备，即ASML手中最新的High-NA EUV光刻机。

ASML是一家全球最大的光刻机制造商，也是唯一一家EUV光刻机制造商。据悉，ASML，计划在2023年底前发表首台商用High-NA （NA=0.55） EUV光刻机，并在2025年量产出货，其数值孔径NA将从0.33提高到0.55，这一技术进步将使得芯片制造商能够利用超精细图案化技术来制造2nm及以下更先进制程的芯片。

ASML计划在2024年生产10台High-NA EUV光刻机，未来几年ASML计划将此类芯片制造设备产能提高到每年20台，据业界预估，High-NA EUV光刻机曝光季将会有五大客户，包括英特尔、台积电、三星、美光等。

其中，三星正准备确保下一代High-NA EUV光刻机 的产量，预计这款设备将于今年晚时推出原型，明年正式供货。值得注意的是，ASML于今年12月中旬与三星电子签署备忘录，将共同投资1万亿韩元在韩国建立研究中心，并将利用下一代极紫外（EUV）光刻机研究先进半导体制程技术。据悉，三星电子将在五年内从ASML采购50套设备，每套单价约为2000亿韩元，总价值可达10万亿韩元。

英特尔将于今年年底导入ASML High-NA EUV光刻机，用在Intel 18A 制程，据悉英特尔已采购其中6台。英特尔强调，有了High-NA EUV光刻机，理论上可实现“四年五节点制程”目标。

Rapidus决定在2024年年底引入EUV光刻机，并将派遣员工赴荷兰ASML学习EUV极紫外光刻技术，同时，ASML此前也决定在日本北海道千岁市设立技术支援部门，就近支持Rapidus芯片工厂。今年以来，Rapidus一直在与IBM、ASML、IMEC等公司合作，目标是今年派遣100名员工至IBM、ASML学习先进芯片技术。截至目前，该公司已雇佣了约300名员工。

Rapidus正在北海道建设芯片工厂，计划于2027年量产2nm制程芯片。Rapidus第一座工厂“IIM-1”已在2023年9月动工，试产产线预计2025年4月启用，2027年开始量产。该公司表示，在正式量产前，将确保招募1000名员工。

值得一提的是，台积电于今年9月宣布收购将以不超4.328亿美元的价格收购英特尔旗下子公司IMS，后者专注于研发和生产电子束光刻机。业界认为台积电此举可确保关键设备的技术开发，并满足2nm商用化的供应需求。针对2nm制程所用设备，台积电还将延续使用EUV光刻机。

2nm未见果，1.8/1.4nm现身影

今年，先进制程动态不断，尤其是3nm、2nm等最先进制程。从共同点来讲，大厂们的目标无非是为了突破芯片技术壁垒，占领新技术高地，从而拿下更多市场份额。

此前晶圆代工厂商2nm以下制程的研发时间线曝光于公众视野时，就曾引起轰动，业界激烈讨论的重点仍是，该技术的进步是否能带来更好的性能和良率等问题，而也正因此2nm以下制程技术的热度一直居高不下。

笔者针对台积电、英特尔、三星、Rapidus芯片制程研发进行了最新跟踪：台积电1.4nm开发顺利；英特尔1.8nm 18A工艺研发完成；三星计划于2027年进入1.4nm半导体制程技术领域；Rapidus正在构建1nm芯片产品的供应体制。

台积电在IEEE国际电子器件会议（IEDM）的“逻辑的未来”小组上透露，台积电1.4nm级制造技术的开发进展顺利进行。据SemiAnalysis的Dylan Patel发布的幻灯片指示，台积电的1.4nm生产节点正式命名为A14。不过关于A14量产时程及其规格，台积电暂未披露更多信息，但鉴于N2计划于2025年末、N2P计划于2026年末，业界猜测A14会在此之后2027-2028年间推出。

关于台积电是否会采用垂直堆叠互补场效应晶体管（CEFT）结构，或是沿用2nm制程将采用的环绕栅极场效应晶体管（GAAFET），以及台积电是否会在2027年至2028年期间为其A14工艺技术采用高数值孔径EUV（High NA EUV）光刻机，目前仍尚不清楚。

英特尔方面，英特尔CEO帕特·基辛格在Intel Innovation Day论坛表示，Intel 18A制程目前有许多测试晶圆正在生产中，这一技术已经研发完成，正加速进入生产阶段。

据介绍，Intel 18A节点（1.8nm）由于尺寸进一步缩小，需采用RibbonFET晶体管，使用GAA全环绕栅极架构，类似多片纳米片堆叠在一起，这样不仅能够缩小尺寸，而且栅极能够更好地控制电流的流通，同时在任意电压下提供更强的驱动电流，让晶体管开关的速度更快，从而提升晶体管的性能。

基辛格表示，英特尔定下的“4年推进5代制程”目标正在稳步实现，希望在2025年重新夺回半导体生产领导者地位，超越台积电、三星。

英特尔称Intel 18A制程不会仅供内部使用，未来也将为爱立信等外部客户代工晶圆。此前基辛格于10月末透露，Intel 18A制程已于Q3敲定了三家晶圆代工客户，预计年底有望签下第四家。此外，用于下一代服务器、PC处理器的Intel 3制程技术，目前正在“除错”阶段，预计2024年即可投产。

从英特尔制程研发路线看，Intel 7制程技术已大量生产，Intel 4制程也已经量产，Intel 3制程准备开始量产，Intel 20A制程将如期于2024年量产，Intel 18A制程将是5代制程目标的终极制程，已确定相关设计规则，将于明年下半年量产。

三星方面，一直以来，三星在努力确保能采购更多EUV光刻机，目标是希望能在2024年上半年进入第二代3纳米制程技术，在2025年年底前推出2nm制程，2027年年底之前推出1.4nm制程。

三星是首家跨入并转型环绕式栅极（GAA）晶体管架构的公司，三星希望从SF3进展至SF2会相对流畅。三星旗下晶圆代工部门Samsung Foundry首席技术官Jeong Ki-tae表示，GAA结构晶体管是一项可持续的技术，此前的FinFET鳍式晶体管很难进一步改进。他还透露，三星正在与大客户就即将推出的2nm、1.4nm制程工艺进行谈判。

Rapidus方面，据报道，Rapidus、东京大学与法国半导体研究机构Leti合作，将研发1nm级别芯片设计基础技术，将在2024年开展人才交流、技术共享。Rapidus将利用Leti的技术，构建1nm芯片产品的供应体制。

报道指出，他们的共同目标是确立设计开发线宽为1.4nm~1nm半导体所需的基础技术。这一节点需要与传统不同的晶体管结构，Leti在该领域的成膜等关键技术上占优。

结语

在2nm及以下先进制程的竞争中，虽然研发最终成果还未具体披露，但从抢单、购买先进设备等动作也可见，各大厂已经在为日后未雨绸缪。丛上述披露的时间线来看，针对2nm制程的研发答案将于2025年揭晓，但更先进制程的战斗仍在继续，未来技术如何演变？我们拭目以待。