中国人向来讲究六六大顺。

就在6月6日这一天,台积电宣布将花费 1 万亿新台币(约 2290 亿元人民币)在台中扩大 2nm 产能布局。目前台积电的首个2nm(新竹N2厂)正在进行土地取得作业,计划于今年三季度动工。台积电总裁魏哲家之前在 4 月份也曾经提到过:“台积电 2nm 预期会是最成熟与最适合技术来支持客户成长,台积电目标是在 2025 年量产。”其实在此之前,关于2nm制程研发的消息没有断过。三星说要在2025年之前量产2nm,英特尔也表示要向2nm进军。作为晶圆加工的top1,台积电自然不能落下,这不紧接着就大大阔斧地展开了实质性的动作。让这些半导体巨头都想抢先研发的2nm,究竟有什么重要意义呢?

2nm是什么概念呢?

芯片上拥有数量庞大的晶体管,而制程就是晶体管源极和漏极之间的沟道长度。晶体管内部的电流从起点(源极)流向终点(漏极)要经过一道闸门,这个闸门的宽度(栅长)就是芯片中所说的纳米单位。随着制程技术的发展,因为源极和漏极的距离越来越近,源、漏两极的电场会对栅极造成干扰,于是就出现了短沟道效应。

为了解决这个问题,FinFET (鳍式场效应晶体管)结构就出现了。这种结构采用了立体设计,为的就是增加接触面积,这样就可以控制漏电现象。

后来FinFET也再难满足制程的发展了, 2021年时三星与台积电也相继公布以 GAAFET(全环栅晶体管,Gate all around Field Effect Transistors)结构承载的3nm制程技术。

从2D到3D,漏电的问题可以通过更先进的技术得到解决,但是工艺却很难再用几纳米去衡量。同是22nm的芯片,采用平面(MOSFET)工艺的晶体管数量却远远比不上FinFET,FinFET的算力也要更高。

那些使用了FinFET工艺的厂商就会计算出实际的晶体管密度,以晶体管的密度来衡量制程。所以,目前各大厂商研发的“2nm”并非是物理意义上的2nm,更多的是新一代制程技术的代号。

尽管如此,也只有在晶体管的密度比上一代有近一倍提高的时候,才能够有新一代制程技术的新代号。几纳米、几纳米的称号依然可以用来衡量芯片的设计和制造水平。

在光鲜背后

晶圆加工通常分先进工艺和成熟工艺,先进工艺就是以摩尔定律为路线,不断追求极限的工艺技术,比如5nm、3nm和现在挣的头破血流的2nm;而成熟工艺就是指良品率较高的、成熟度较高的工艺技术,比如28nm、14nm等。

从市场角度来看,曾经一度冲进全球前三的格罗方德和台联电因为各种因素已经退出了先进制程的角逐。所以在先进制程乃至晶圆加工上,现在的“三巨头”非台积电、英特尔、三星莫属。

之前说过EDA企业的三巨头都与美国资本有着千丝万缕的关系,这句话放在晶圆代工企业身上,依然适用。

英特尔作为美国的本土企业,自然不用多说,剩余两家巨头的命运也实在是难逃美国资本控制。

三星作为韩国半导体的骄傲,目前有55%的股权都是外资,且主要是美国华尔街的资本(花旗银行、摩根士丹利)。
台积电作为目前晶圆加工的龙头企业,2021年市场占有率超过50%,但台湾本土持股比例只有20%左右,剩下的还是以美国的资本为主(花旗、摩根大通)。

光鲜的背后,是没有自主权。去年冬天美国商务部强制要求台积电、三星在内的晶圆企业在 45 天内交出订单量、库存量等商业机密数据时,这些企业最终也只有服从这一条路可走。

我们能突破芯片制造吗?

无论是被美国强迫提交机密数据,还是华为被制裁后陷入“缺芯”,桩桩件件都在提醒我们突破技术封锁的重要性。

成熟工艺:中芯和华虹能够位列世界晶圆代工的第五、第六位,晶合集成也位列第十,我们在成熟制程上已经有了很大的突破。

先进工艺:目前国内最先进的制程是中芯和华虹的14nm,14nm和7nm之间不仅着2代左右的差距,三星和台积电的7nm工艺成熟度还远超我们14nm的工艺成熟度。技术追赶任重而道远。

芯片行业不是赚快钱的,也不需要浮躁之气。芯片制造如此,芯片设计亦是如此。

中国人向来讲究六六大顺。

同是6月6号这一天,龙芯中科推出了最新国产CPU——3C5000,采用完全自主的指令及系统。龙芯CPU设计基本原则是先提高单核性能再增加核数,先通过设计优化再利用先进工艺提高性能。

龙芯扎根钻研CPU了20多年,尽管过程曲折艰难至极,但还是做到了打破海外垄断的局面。

龙芯之父胡伟武曾经说过:“(我们就是要在)封锁的情况下打破封锁,在开放的情况下打破垄断。”

道阻且长,行则将至。