台积电计划2025年推出2nm芯片,为何台积电要疯狂“卷”工艺?

科技铭程 2024-05-28 22:41:18

5月24日,台媒《MoneyDJ 理财网》报道,台积电高管在2024年技术论坛新竹场上称,其采用GAA 晶体管技术的2nm 制程进展“非常顺利”,目前纳米片的“转换表现”已达到目标90%,按良率计算也超过了80%,计划在2025年实现量产,将继续成为代工业界最领先的技术。

在2026下半年,台积电将量产两个2nm家族变体制程:N2P 和 A16。

N2P性能比N2提升5%-10%,相同频率和密度下功耗降低5%-10%。

A16工艺将正式引入背面供电技术,该工艺可在相同工作电压下,频率提升8%-10%,在相同频率下功耗降低15%-20%,密度至高提升10%。

可以看出,台积电在制程迭代方面非常积极,甚至可以用“卷”来形容。

那么为什么台积电如此执着于“卷”工艺,那是因为台积电尝到了技术迭代的甜头。

2009年,后金融危机时期,台积电仍然没缓过劲来,内部裁员、客户取消订单的事依然发生。

78岁的张忠谋不得不再次回到台积电,挽救这座濒临倒塌的大厦。

张忠谋回归第一件事就是押宝28nm工艺,他将资本支出提升了一倍,达到了59亿美元,震惊了整个芯片界,甚至有人认为张忠谋“疯了”。

但是,谁也没想到,这个决定会让台积电走向走向晶圆代工的巅峰。

老将蒋尚义临危受命,面对三星、格罗方德、联电等强劲的对手,他展现出了智慧和能力,更重要的是运气。

台积电选择了后闸级方案,而三星选择了前闸级。在当时,谁也无法确定,哪种方案更合适,更容易取得成功。

经过4年左右的研发,2011年,台积电率先实现了28nm工艺的量产,时间节点早于三星,成为了第一家28nm工艺晶圆代工厂商,蒋尚义团队赌赢了。

赢者通吃,台积电不仅拿到了大量的订单,进一步巩固了市场地位,还把竞争对手格罗方德、联电甩在了身后。

苹果、高通、AMD、英伟达纷纷把手机芯片订单交给台积电,台积电28nm营收当年就达到了1.5亿美元,之后又迅速增长至60亿美元、76.8亿美元。

台积电也在28nm工艺上,建立了四大技术平台,包括手机SoC、高效运算、汽车电子、物联网。

2016年,台积电28nm工艺占据市场的60%,整个芯片市场代工份额达到了50.6%。

尝到了技术迭代的甜头,台积电将主要目标集中到了苹果身上,因为它认为苹果是能够给它带来更大利益的超级客户。

苹果作为智能手机的领导者,A系列仿生芯片和iOS操作系统都优于竞争对手,为了保持这种优势,苹果和台积电开始了越来越密切的合作。

台积电的10nm、7nm、5nm、3nm都优先得到了苹果的使用和认可,苹果为台积电带来了大量的先进的订单,同时双方还开展了密切的技术合作。

早在2014年,台积电与苹果就签署了“共生协议”,苹果承诺成为台积电新工艺的第一个客户,分担台积电先进工艺研发费用和工厂建设费用。

作为回报,台积电只收取苹果良品芯片的费用,也就是业内所称的“已知合格芯片”。

双方的这种合作模式,让台积电彻底放开了手脚,在先进工艺研发投入上毫不吝啬,毕竟身后有苹果这样的大金主。

而新工艺一旦成熟后,就可以向高通、英伟达、AMD收取高额代工费了,从苹果那里少赚的,可以从其他客户身上加倍赚回来。

而反观三星,因为没有苹果这样的大金主,凡事都要靠自己,所以在先进工艺上总是落后台积电那么一点点,但正是这一点点让三星与台积电的份额相差了45%,成了前年老二。

台积电“卷”工艺,对中国芯片有什么影响?

我们都知道国产芯片在制造方面严重落后,内地最先进的晶圆代工厂商中芯国际,目前工艺制程还停留在7nm,因为缺少EUV光刻机,5nm工艺很难量产。

中芯国际斥资1700亿建设的4座晶圆厂,也基本都是成熟工艺。

而台积电在先进制程方面快速的迭代,会把更多的芯片带入到先进制程领域中,

以汽车芯片为例,一辆高端智能电动汽车芯片数量可达到3000颗,涉及智能驾驶、微控制单元、功率半导体、模拟数字转换器、存储器、电源管理、通信等。

台积电扬言要把这些芯片迭代至7nm以下,当然不是现在,而是2030年。

目前,汽车芯片使用7nm以下工艺的只有自动驾驶、座舱和存储芯片,数量并不多。但是,随着技术的发展,成本下降、安全性的提升,其他汽车芯片使用7nm技术也不是不可能。

那么在7nm以下先进制程芯片中,台积电无疑是最具优势的,英飞凌、恩智浦、意法半导体自然要选择台积电代工,甚至国内厂商为了抢夺市场,也把订单下给台积电。

这对国内芯片厂商来说不是好消息,订单减少,生产线空置,设备折旧,足以摧毁一个晶圆代工企业。

那么要想活下来,只能跟着台积电“卷”工艺,向着7nm、5nm、3nm进军。但现实是,这些先进工艺需要EUV光刻机。

而EUV光刻机从诞生的那一天起,就对我们禁运,零部件、二手设备都不允许购买。除了自主研发没有其他方法。

EUV光刻机研发非常难,号称是人类工业史上最复杂、最精密的设备,ASML表示“世界上没有任何国家可以单独完成制造”。

一台设备高达10万个零部件,ASML动用了3000多家供应商,才完成了这些零部件,然后自己派技术工人进行组装调试,快则3个月,慢则6个月。

这些供应商比较牛的有德国蔡司、通快、Cymer(被ASML收购),它们在自己的领域内,基本上没有对手。

而我们要在对应的领域内追平这些公司,同时还要打造出替代其他3000家的企业,难度可想而知。

台积电也是看中了这点,所以快马加鞭,把2nm工艺制程搞出来,抢占更多的市场份额。而我们要先攻克EUV光刻机。

那有网友问了,是不是我们永远都追不上台积电了,也不是。

首先,我们正在集中精力研发国产EUV光刻机,中科院、华为、清华大学等已经取得了技术上的突破。

其次,我们的芯片技术已经攻克了5nm,只要EUV光刻机一到位,我们就能在极短的时间内实现5nm芯片的量产。

最后,到了2nm工艺后,距离摩尔定律的1nm只有一步之遥,可以预料,台积电的技术迭代会放缓,甚至停滞,这给了中国芯片追击的时机。

此外,地缘政治敏感下,台积电日子也不好过,在美国新投建的晶圆厂迟迟无法投产,而未来“芯片脱钩”也最终会影响台积电的进步。

换个角度思考,台积电之所以如此疯狂的“卷”工艺,不就是因为后面有一个强大的竞争对手吗?跑的慢了,就会被对手超越,对手进步的越快,自己才越要疯狂的跑。

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