出品 | 虎嗅科技组
作者 | 丸都山
编辑 | 苗正卿
头图 | 视觉中国
在 2nn 工艺制程的决战上，台积电又一次跑到了前面。
12 月 6 日，据中国台湾媒体《经济日报》报道，台积电已在新竹县的宝山工厂完成 2nm 制程晶圆的试生产工作。 据悉，此次试生产的良品率高达 60%，大幅超越了公司内部的预期目标。
值得一提的是，按照台积电董事长魏哲家曾在三季度法说会上的表态，2nm 制程的市场需求巨大，客户订单未来可能会多于 3nm 制程。
从目前已知信息来看，台积电已经规划了新竹、高雄两地的至少四座工厂用于 2nm 制程的生产，在满产状态下，四座工厂在 2026 年年初的 2nm 总产能将达 12 万片晶圆。
在三星工艺开发受挫，英特尔代工业务前途未卜的背景下，台积电在芯片代工行业中，已经取得压倒性优势。
路线押对了
自芯片代工行业进入先进制程后，2nm 的节点就被普遍认为是 " 决战节点 "。
它的特殊性在于，过去各家早已得心应手的 "FinFET 架构 " 在这个尺度下已经开始失效，CMOS 器件与生俱来的 " 短沟道效应 " 又一次被暴露出来。
这里需要补充一个知识点：我们常说的 14nm、7nm 工艺节点实际指的是晶体管导电沟道的长度（由于沟道长度不容易被观测，业界通常用更加直观且接近的栅极长度代指工艺节点）。
CMOS 器件功能越复杂，晶体管的密度就会越大，这就必然需要沟道长度越来越小。可问题是，随着沟道长度的缩短，沟道管中的源极和漏极的距离也会越来越短，因此栅极很难再保证对沟道的控制能力，也意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而出现严重的电流泄露。
为了解决这个问题，华人科学家胡正明在 1999 年提出了 " 鳍式场效应晶体管 " 架构，也就是 FinFET。在这个结构中，栅门被设计成了类似鱼鳍状的 3D 结构，能够让晶体管沟道长度减少的同时，大幅减少电流泄露的问题。
FinFET 架构的出现，让摩尔定律被续命将近 20 年，直到进入 5nm 工艺制程后，该架构也开始逐渐失效。
由此，GAAFET 架构又被提出来。与前者相比，GAAFET 架构相当于将栅极的鳍片旋转 90 °，然后再在垂直方向上分成了多条鳍片，来增加其与沟道的接触面积。
FinFET 架构与 GAA 架构的区别，三星半导体代工论坛
这条技术路线得到了业内的广泛认可，但却让代工难度呈指数级上升。
因此，当台积电在开发 3nm 工艺制程时，并没有急于改用 GAAFET 架构，而是继续选择在 FinFET 结构上缝缝补补。应该说，台积电的技术还是非常过硬的，从苹果的 A17 芯片算起，过去两年所有使用台积电 3nm 工艺代工的芯片都没有出现明显的发热或是高功耗的问题。
与此同时，由于 FinFET 工艺非常成熟，台积电所有从事 3nm 代工的产线，其良率都能达到 80% 以上，甚至逼近 90%。
相比于台积电的保守，三星则选择了 " 一步到位 "，直接在 3nm 工艺节点上就改用 GAAFET 架构。但由于开发难度过大且时间紧迫，其 3nm 试生产的良率不足 20%，根本无法满足量产需求。
这也直接导致了，台积电几乎包揽了全球的 3nm 芯片产能，其三季度财报显示，台积电期内的营收达到 235.04 亿美元，同比增长 36.27%；净利润达到 100.63 亿美元，同比增长 50.18%。
在 3nm 工艺代工赚得盘满钵满后，台积电在 2nm 工艺上的开发更加游刃有余。这也很好解释了，为什么让三星跌跟头 GAAFET 架构，台积电在试生产时，甚至可以拿出优于预期的表现。
台积电还有对手吗？
按照台积电此前公布的路线图，在相同功耗下，采用 N2 工艺的芯片在性能上将比 N3E（第二代 3nm 工艺）提升 10%-15%。
虽然听起来提升有限，但台积电也提到过，在相同性能下，N2 工艺的芯片将比 N3E 功耗降低 25%-30%，这对于消费电子芯片厂商，尤其是 SoC 的设计厂商，吸引力无疑是巨大的。
不过，2nm 工艺的代工价格大概率也会非常贵，而且是普通消费者都能感知到的贵。
根据中国台湾媒体的预测，台积电 2nm 单片晶圆的代工价格可能会高达 3 万美元，相比之下，4nm 工艺单片晶圆的价格为 1.5 万美元，3nm 工艺单片晶圆的价格为 1.85 万美元。
这还没有考虑到芯片设计厂商的研发及流片成本。过去在 28nm 时代，芯片研发费用大概是 5000 万美元，推进到 16nm 时则被提到到 1 亿美元，再到 5nm 时，这项费用已经达到 5.5 亿美元。
预计 2nm 芯片的研发费用，可能高达数十亿美元。可以预见的是，这些成本终将转移到消费者头上。
2nm 芯片的价格如此高昂，一方面是因为各个环节的成本都在上升，另一方面也是因为台积电在芯片代工行业中，已经形成了事实上的垄断。
仅在今年，台积电便两次提高其代工费用，不仅是对 3nm 工艺制程，甚至早已成熟、成本理应下降的 5nm 工艺制程的价格亦被提高 4%-10%。
那么在进入 2nm 工艺时代后，行业内还有能掣肘台积电的力量吗？
三星电子方面，这家公司在 3nm 工艺制程上跌了个大跟头后，立志要在 2nm 工艺制程上完成追赶。此前业内就有传闻称，三星电子已经有暂停 3nm 工艺开发，全力 "All in"2nm 工艺的打算。
考虑到其位于华城的 S3 产线，在还未正式量产 3nm 晶圆前，就开始计划将设备升级为 2nm 工艺的配套设备，这种说法可能并非空穴来风。
但按照三星电子的规划，其 2nm 产能至少要到 2027 年才能量产。
另一边的英特尔，虽然已经完成 18A 工艺（等效 2nm）的试生产工作，但被曝良率过低，且公司正处于动荡期，量产时间也是遥遥无期。
以此来看，在 2nm 工艺制程的开发上，台积电的竞争对手目前仍难以望其项背，而对于下游厂商来说，未来相当长的一段时间内，只能默默承受台积电的加价。
发表评论