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半导体制程不断微缩，面临物理极限，当下全球2纳米芯片先进制程之战的号角已然吹响。
据外媒消息，继台积电、三星、英特尔、IBM加码2纳米后，先进制程之争再升级，日本和美国达成共识，称最早在2025年在日本建立2纳米半导体制造基地。
头部厂商为何对2纳米势在必得？
2纳米作为3纳米之后的下一个先进工艺节点，对于技术革新十分关键。
TrendForce集邦咨询分析师乔安表示，半导体制程已逐渐逼近物理极限，因此晶体管架构的改变、新兴材料的应用、亦或是封装技术的演进都会是芯片持续提高效能、降低功耗的关键。而业界认为，在新结构的创新和新材料的引入上，2纳米有望成为新的转折点。
首先是结构上，根据国际器件和系统路线图(IRDS)的规划，在2021～2022年以后，鳍式场效应晶体管(FinFET)结构将逐步被环绕式栅极（GAAFET）结构所取代。所谓GAAFET结构，是通过更大的闸极接触面积提升对电晶体导电通道的控制能力，从而降低操作电压、减少漏电流，有效降低芯片运算功耗与操作温度。
从3纳米开始，业界便已显现出从FinFET结构过渡到GAAFET结构技术节点的迹象，台积电方表示，3纳米的架构将会沿用FinFET结构，而三星则选择采用GAAFET结构。
而2纳米制程的推进，则将这一趋势贯彻到底。业内消息透露，台积电的2纳米工艺也将采用GAAFET架构。
随着芯片制造工艺的精进，硅基芯片材料已无法满足行业未来进一步发展的需要。2纳米制程的制作过程中或将引入一些新的材料，其中二维材料（如石墨烯、过渡金属化合物）和一维材料（如碳纳米管）引人关注。就碳纳米管来说，其具有极高的载流子迁移率、非常薄的主体尺寸和优良的导热性。总体而言，新材料的引入或许会给行业带来新的变革。
头部厂商2纳米来势汹汹
目前2纳米赛道各大厂家情况较为胶着，台积电一马当先，三星、英特尔、IBM抱团紧随其后。
1、台积电2纳米研发一马当先
台积电在2纳米研发上一马当先，2019年，台积电便宣布启动2纳米工艺的研发。此前台积电曾宣布2022年将支出近300亿美元用于2纳米、3纳米等工艺研发，并预计2纳米2024年能实现2纳米试产，2025年全面量产。
而近日台积电方面也有好消息传出，业界消息显示，台积电在2纳米先进制程研发上取得重大突破，已成功找到路径，将切入GAAFET技术。
纵向对比头部厂商，台积电有较大希望率先量产2纳米芯片，毕竟台积电在先进制程上一直处于领先地位，其于2018年推出7纳米，2020年推出5纳米，今年3纳米也即将量产。此外，据TrendForce集邦咨询数据显示，台积电在2021年第四季前十大晶圆代工业者中占据首位宝座，其2021年第四季营收达157.5亿美元，季增5.8%，握有全球超过五成的市占率。
2、三星率先启用GAA工艺
在先进制程的竞赛中，三星与台积电一直保持“你追我赶”。
今年5月，三星宣布未来5年将投资3600亿美元用于半导体和生物制药等行业，其中尤其关注先进制程方面。此前三星对芯片工艺路线图作出了调整，将跳过4纳米工艺，由5纳米直接上升至3纳米，并在3纳米工艺中率先宣布将使用GAAFET技术。
具体到时间节点上，2021年10月，三星宣布3纳米芯片已经开始成功流片，将于2022年上半年开始生产，并表示2纳米芯片将于2025年量产，两款芯片均将采用GAAFET工艺。
最近，三星电子副会长李在镕开启了7日欧洲穿梭之旅，据韩媒报道，他将与光刻机巨头ASML进行接洽，争取EUV光刻机优先供货。据悉，3/2纳米工艺的实现高度依赖于ASML的新一代的EUV光刻机。业界消息显示，ASML在2021年出货的48台EUV设备中，三星和台积电分别采购了15台和20台。
3、英特尔寻求合作实现弯道超车
除了大手笔发展其代工业务外，英特尔在先进制程上也不甘落后。2021年7月，英特尔公布了最新的技术路线，并对重要工艺命名进行了修改：10纳米技术改名Intel 7，7纳米技术改为Intel4，5纳米技术改成Intel 3，2纳米技术改成Intel20A。并表示，Intel 3在2023年下半年量产，Intel 20A在2024年量产，Intel18A工艺将于2025年推出。而在2纳米节点时，英特尔将由FinFET工艺转向其称为RibbonFET的GAAFET晶体管。
此外，据外媒消息显示，英特尔四处寻求合作加强工艺研发。今年年初以来，已陆续传出英特尔将会寻求和台积电、三星、IBM等合作共同研发2纳米工艺。
4、IBM抢跑2纳米制造工艺
IBM是先进工艺研发的佼佼者，它曾率先推出7纳米、5纳米乃至2纳米工艺。2021年5月，IBM发布了全球首个2纳米制造工艺，并在美国纽约州奥尔巴尼的工厂展示了2纳米工艺生产的完整300mm晶圆。
据外媒此前报道，IBM已与三星、英特尔签署了联合开发协议。不过，该技术目前仍处在概念验证阶段，可能还需几年才能投入市场。
据悉，IBM在实验室研发上较强，而在规模量产上则不具备同等优势。业界猜测，IBM与三星、英特尔等合作，或许是借助三星、英特尔的代工等优势，推动2纳米加速落地。
结语
目前业界在先进制程的竞争愈演愈烈，全球各头部企业3纳米制程还未正式量产，2纳米制程竞争却已逐渐白热化。对于新技术的热衷总会带来惊喜，此番对于2纳米的追逐是否会给业界带来新的变革呢，我们拭目以待。
文章来源：全球半导体观察 王凯琪
