本文來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
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在芯片制造領(lǐng)域，3nm方興未艾，圍繞著2nm的競爭已經(jīng)全面打響。
根據(jù)臺灣經(jīng)濟日報日前的新聞報道，臺積電已經(jīng)在本月初已經(jīng)開始了 2 納米工藝的預(yù)生產(chǎn)，而英偉達和蘋果將有望成為晶圓代工龍頭的首批客戶，這將給三星等競爭對手帶來巨大壓力。在回應(yīng)該報道時，臺積電沒有評論具體細節(jié)，但表示2nm技術(shù)的開發(fā)進展順利，目標(biāo)是在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。
英特爾中國區(qū)總裁兼董事長王銳在今年三月的一次活動中表示，公司已完成intel 18A（1.8nm）和intel 20A（2nm） 制造工藝的開發(fā)。其中，intel 20A計劃于 2024 年上半年投入使用，進展良好的intel 18A制造技術(shù)也將提前到2024年下半年進入大批量制造（HVM）。
與此同時，晶圓代工老二三星在今日舉辦的代工論壇論壇上也重申了公司將在2025年實現(xiàn)2nm生產(chǎn)。再加上日本新成立的 Rapidus也想在2025年量產(chǎn)2nm。一場在2025年將進入白熱化的戰(zhàn)爭已經(jīng)全面打響。
三星密謀已久
這不是三星首次披露其2nm的計劃，其實針對這個被廣泛看好的“大節(jié)點”，這家韓國巨頭密謀已久，他們在這次代工論壇上也帶來了更多的消息。
據(jù)semiwiki報道，與英特爾一樣，三星自己的芯片也是自己的代工客戶，因此他們在2nm上首先生產(chǎn)的是內(nèi)部產(chǎn)品，而不是外部代工客戶。這當(dāng)然是 IDM 代工廠的優(yōu)勢，可以結(jié)合工藝技術(shù)開發(fā)自己的芯片。三星擁有開發(fā)領(lǐng)先內(nèi)存的額外優(yōu)勢。
報道指出，三星將于 2025 年開始量產(chǎn)用于移動應(yīng)用的 2nm 工藝，然后于 2026 年擴展到具有背面供電的 HPC，并于 2027 年擴展到汽車領(lǐng)域。與 3nm 工藝 (SF3) 相比，三星的 2nm (SF2) 工藝已顯示出性能提升 12%，功率效率提高提升 25%，面積減少 5%。
按照三星的規(guī)劃，其GAA MBCFET無疑是2nm工藝的最大競爭優(yōu)勢所在，在上個月的時候，他們就公布了公司在3nm GAA MBCFET技術(shù)的最新進展，這將給他們的2nm提供參考。
三星表示，與 FinFET 相比，MBCFET 提供了卓越的設(shè)計靈活性。晶體管被設(shè)計成有不同量的電流流過它們。在使用許多晶體管的半導(dǎo)體中，必須調(diào)節(jié)電流量，以便在所需的時序和控制邏輯下打開和關(guān)閉晶體管，這需要增加或減少溝道的寬度。
而在傳統(tǒng)的FinFET結(jié)構(gòu)中，柵極所包裹的鰭片（Fin）的高度是不可調(diào)節(jié)的，因此為了增加整體溝道寬度，需要水平地增加鰭片的數(shù)量。但這種方法只能調(diào)節(jié)不連續(xù)的溝道寬度，因為當(dāng)柵包圍文件的溝道寬度為α?xí)r，也只能減小或增大α的倍數(shù)。這是一個嚴重的限制。
另一方面，MBCFET 彼此堆疊在一起，鰭片側(cè)向放置，納米片的寬度可以調(diào)整，以提供比 FinFET 更多的溝道寬度選項，這是一個對整個設(shè)計有用的功能，這在模擬 SRAM 中具有顯著的優(yōu)勢設(shè)計。
”MBCFET 具有這些優(yōu)勢，因為它們的設(shè)計允許獨立微調(diào)晶體管的溝道寬度，以便在 P 型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管 (PMOS) 和 N 型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（NMOS）之間找到最佳平衡”，三星強調(diào)。
而在MBCFET 通過調(diào)整納米片寬度，為 SRAM 單元設(shè)計提供了更大的靈活性。左上圖顯示了具有六個晶體管的基本 SRAM 位單元。中間圖像顯示了該位單元的圖形設(shè)計系統(tǒng) (GDS) 視圖。
在圖(a)中，在GAA結(jié)構(gòu)中，NMOS下拉(PD)和傳輸門(PG)具有相同的溝道寬度，而PMOS上拉(PU)具有較小的溝道寬度。(WPD = WPG > WPU ) 在這種情況下，從右圖可以看出，MBCFET 可以比 FinFET 獲得更好的裕度。
在圖(b)中，當(dāng)PD和PG之間的溝道寬度變化時，它們是NMOS(W PD > WPG > WPU ），裕度高于（a）。通過根據(jù)晶體管的作用和特性調(diào)整溝道寬度，實現(xiàn)最佳平衡，并確保裕度。由于 GAA SRAM 位單元比 FinFET 需要更少的功率，并且由于每個晶體管的 GAA 寬度可以獨立調(diào)整，因此 PPA 和 SRAM 之間的平衡得到改善，從而大大提高了 SRAM 的設(shè)計穩(wěn)定性。
除了晶體管外，背面供電技術(shù)也是三星2nm的一個殺手锏。
三星研究員Park Byung-jae表示，在代工市場，技術(shù)正在從高 k 金屬柵極平面 FET 發(fā)展到 FinFET、MBCFET，以及現(xiàn)在的 BSPDN。
據(jù)介紹，BSPDN與前端供電網(wǎng)絡(luò)不同，它主要使用后端；正面將具有邏輯功能，而背面將用于供電或信號路由。據(jù)他們在一篇論文中披露，將供電網(wǎng)絡(luò)等功能移至芯片背面，以解決使用2nm工藝造成的布線擁塞問題。據(jù)稱，與 FSPDN 相比，BSPDN 的性能提高了 44%，能效提高了 30%。
在公布2nm規(guī)劃的同時，三星強調(diào)，公司的1.4nm工藝預(yù)計于 2027 年實現(xiàn)量產(chǎn)。與此同時，三星代工廠繼續(xù)致力于投資和建設(shè)產(chǎn)能，在韓國平澤和德克薩斯州泰勒增設(shè)新生產(chǎn)線。目前的擴張計劃將使公司的潔凈室產(chǎn)能到 2027 年比 2021 年增加 7.3 倍。
臺積電不甘人后
在大家都在圍繞著2nm傾囊而出的時候，臺積電也不甘人后。
臺積電在去年的代工技術(shù)研討會上就披露了其下一代 N2 2nm 節(jié)點的早期細節(jié)，包括將改用納米片晶體管架構(gòu)，其中幾個堆疊的硅層完全被晶體管柵極材料包圍，而不是當(dāng)前的 FinFET 設(shè)計，與當(dāng)前 FinFET 晶體管相比，GAAFET 的優(yōu)勢包括降低漏電流（因為柵極位于溝道的所有四個側(cè)面），以及調(diào)整溝道寬度以獲得更高性能或更低功耗的能力。
早前舉辦的研討會上，臺積電進一步公布了2nm的更多消息。
他們表示，公司在 N2 硅的良率和性能方面都取得了“扎實的進展”，預(yù)計其密度將比今年進入量產(chǎn)的增強型 N3E 節(jié)點提高 1.15 倍以上。預(yù)計 2025 年投入生產(chǎn)時，在相同功率下，它的速度將比 N3E 提高 15%，或者在相同速度下，功耗最多可降低 30%。
臺積電還表示，在進入 HVM 兩年前，其 Nanosheet GAA 晶體管性能已達到目標(biāo)規(guī)格的 80% 以上，256Mb SRAM 測試 IC 的平均良率超過 50%。臺積電更是在一份聲明中寫道：“臺積電納米片技術(shù)展示了出色的功效和較低的 Vmin，最適合節(jié)能計算范例。”
和三星一樣，臺積電也有一個N2P節(jié)點，這將在2026年某個日子推出。同時，在這個工藝上，臺積電也將引入背面供電技術(shù)。目前，臺積電尚未透露關(guān)于背面供電的更多信息，有關(guān) N2P 相對于 N2 的性能、功耗和面積 (PPA) 優(yōu)勢的任何硬數(shù)據(jù)，臺積電也還沒公布。但根據(jù)anandtech從行業(yè)消息來源了解到的情況，僅背面電源供電就可以帶來個位數(shù)的功率改進和兩位數(shù)的晶體管密度改進。
臺積電還表示，N2P 有望在 2026 年投入生產(chǎn)，因此我們可以推測第一批基于 N2P 的芯片將于 2027 年上市。
除了可能成為臺積電 2nm 代工藝主力的 N2P 之外，臺積電還在準(zhǔn)備 N2X。這將是專為高性能計算 (HPC) 應(yīng)用（例如需要更高電壓和時鐘的高端 CPU）量身定制的制造工藝。代工廠并未概述該節(jié)點與 N2、N2P 和 N3X 相比的具體優(yōu)勢，但與所有性能增強節(jié)點一樣，實際優(yōu)勢預(yù)計將在很大程度上取決于設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO) 的實施程度。
對于臺積電2nm，近來還有消息透露，他們這個節(jié)點的單片晶圓定價逼近25000美元，相比屆時的3 納米晶圓代工報價的18,445 美元大幅上漲。這對于Fabless來說無疑是另一個挑戰(zhàn)。回顧過去，臺積電加工每? 90 納米制程晶圓所消耗的成本為411 美元，加工每? 5 納米制程晶圓所消耗的成本已經(jīng)上升到了4,235 美元，相較加工每? 7 納米制程晶圓所消耗的成本2,330 美元，也增加了81.8%。
由此看來，臺積電晶圓代工報價的上漲幅度，其與加工成本的上漲幅度是相接近的。
英特爾寄以厚望
在制造工藝上落后許久的英特爾在最近對其晶圓代工業(yè)務(wù)進行了調(diào)整，向著下一步拆分做好準(zhǔn)備。與此同時，他們還對2nm（Intel 20A）工藝寄以厚望，他們希望在這個工藝上追平三星和臺積電等競爭對手。英特爾聲稱，如果正確執(zhí)行 IFS 和 IDM 2.0 路線圖，Intel 18A 代工節(jié)點應(yīng)該在技術(shù)上和上市時間上擊敗臺積電 2 納米級節(jié)點。
從技術(shù)上來說，Intel 20A及intel 18A不僅是他們首批進入埃米節(jié)點的工藝，在其上還會首發(fā)兩大突破性技術(shù)，也就是RibbonFET和PowerVia，其中RibbonFET是Intel對Gate All Around晶體管的實現(xiàn)，它將成為公司自2011年率先推出FinFET以來的首個全新晶體管架構(gòu)。
英特爾過去多年來一直在技術(shù)半導(dǎo)體會議上討論 GAAFET，在 2020 年 6 月的國際 VLSI 會議上，時任首席技術(shù)官 Mike Mayberry 博士展示了轉(zhuǎn)向 GAA 設(shè)計后增強靜電的圖表。當(dāng)時我們詢問英特爾批量實施 GAA 的時間表，并被告知預(yù)計將在“5 年內(nèi)”實現(xiàn)。目前，英特爾的 RibbonFET 將采用 20A 工藝，根據(jù)上述路線圖，可能會在 2024 年底實現(xiàn)產(chǎn)品化。
anandtech在報道中指出，在英特爾將在RibbonFET中確實將使用 4 堆棧實施，因為添加的堆棧越多，制造所需的工藝節(jié)點步驟就越多，引用英特爾的 Kelleher 博士的話：“刪除堆棧比添加堆棧更容易”。對于任何給定的進程或功能來說，確切的堆棧數(shù)量仍然是一個活躍的研究領(lǐng)域，但英特爾似乎更熱衷于四個。
值得一提的是，在早前舉辦的 ITF World上，英特爾還展示了全新堆疊式 CFET 晶體管設(shè)計——一個被業(yè)界看好的下一代 GAA設(shè)計。
從英特爾提供的圖像我們很好地觀察到——這種設(shè)計允許該公司堆疊八個納米片，使納米片的數(shù)量增加了一倍。四個與RibbonFET一起使用，從而增加晶體管密度。我們還在上面的相冊中提供了其他三種類型的英特爾晶體管的圖像 - Planar FET、FinFET 和 RibbonFET。
如上所說，背面供電，則是英特爾另一個在Intel 20A工藝上的另一重點技術(shù)。他們也在日前舉辦的VLSI大會上更新了這個技術(shù)的進展。
按照英特爾所說，遷移到 BS-PDN 最終有幾個好處。首先，這對簡化芯片的構(gòu)造具有重要影響。我們稍后會講述英特爾的具體聲明和發(fā)現(xiàn)，但這里需要特別注意的是，它允許英特爾放寬其 M0 金屬層的密度。Intel 4 + PowerVia 的測試節(jié)點允許 36 nm 間距，而不是在 Intel 4 上要求 30 nm 間距。這直接簡化了整個芯片最復(fù)雜和昂貴的處理步驟，將其回滾到更接近intel 7 工藝的尺寸。
BS-PDN 也準(zhǔn)備好為芯片提供一些適度的性能改進。通過更直接的方式縮短晶體管的功率傳輸路徑有助于抵消 IR Droop 效應(yīng)，從而更好地向晶體管層傳輸功率。將所有這些電源線從信號層中取出也可以提高它們的性能，從而消除電源干擾并為芯片設(shè)計人員提供更多空間來優(yōu)化他們的設(shè)計。
在英特爾的方案中，首先，使用載體晶圓（carrier wafer ）作為其構(gòu)建過程的一部分，以提供芯片剛性。英特爾實施 BS-PDN 的另一個值得注意的細節(jié)是使用 TSV 進行電源布線。在 PowerVia 中，芯片的晶體管層中有納米級 TSV（恰如其分地命名為 Nano TSV）。這與行業(yè)先驅(qū) IMEC 一直在研究其 BS-PDN 的埋入式電源軌形成對比。
總而言之，雖然電源軌仍然需要向上和越過晶體管層來輸送電力，但使用 TSV 可以讓電力更直接地輸送到晶體管層。對于英特爾來說，這是他們熱衷于利用的一項技術(shù)優(yōu)勢，因為它避免了必須設(shè)計和內(nèi)置埋入式電源軌所需的路由。
關(guān)于英特爾的背面供電，我們可以參考文章《搶進背面供電，芯片制造新王牌》。
日本Rapidus成為x因素
在大家都以為先進制造格局已定的時候，日本Rapidus橫空出世。
由日本八家大企業(yè)支持成立、并獲政府注資的半導(dǎo)體公司Rapidus正在興建的首座晶圓廠就直攻2納米制程，背負著復(fù)興日本晶圓制造的重責(zé)大任。Rapidus會長東哲郎上月接受受訪時表示，有信心讓公司在短時間內(nèi)就追上兩大晶圓大工業(yè)者臺積電與三星電子。
東哲郎說：“領(lǐng)先他人且獨特，是賺取大量獲利的唯一地位；如果你做別人已經(jīng)在做的，你會讓自己變得廉價。”
東哲郎說：“我對2納米與之后的1.4納米相當(dāng)有信心，不過1納米會是一大挑戰(zhàn)。」「我們與材料和制造設(shè)備制造商密切合作，這些業(yè)者已與包括臺積電在內(nèi)的市場領(lǐng)導(dǎo)者合作先進技術(shù)。我們的全球伙伴也承諾將全力支持提供技術(shù)和教育。”
Rapidus目前已與IBM、比利時微電子研究中心IMEC結(jié)盟，而且也獲得包括豐田、Sony和軟銀等日本大企業(yè)的支持，這讓他們的2nm給市場提供新變數(shù)。
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