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差不多一个月前,苹果 COO 杰夫·威廉姆斯 (Jeff Williams) 低调到访台积电,根据媒体报道,此行就为一件事:
确保给到苹果的 2nm 产能。
没办法,台积电的产能实在太抢手了。不管手机芯片厂商、PC 芯片厂商,还是 AI 芯片厂商都在争夺台积电「相对有限」的产能,以至于面对台积电的涨价也欣然接受,英伟达创始人兼 CEO 黄仁勋甚至公开力挺台积电涨价。
而后,台积电的市值一度冲上 1 万亿美元。
不过还好,还没有厂商能与苹果争夺台积电 2nm 的首发产能。据供应链目前透露,作为台积电最大客户,苹果已经规划在明年的 M5 芯片上首发采用台积电 2nm 工艺。
就在本周,台积电将提前启动 2nm 的试产。据工商时报援引业内人士报道,台积电 2nm 制程将于本周试产,苹果 M5 芯片不仅拿下 2025 年首批产能外,也将率先导入下一代 3D 先进封装工艺 SoIC(系统整合芯片)。
因为相对 AI 芯片采用的 CoWos 封装工艺更简单,所以预期 SoIC 封装工艺的产能将在明年扩大至少一倍,也就是每月 8 千片以上。
当然,2nm 不是台积电的独角戏,三星以及英特尔也都希望在这个节点缩短与台积电之间的差距,甚至实现超越。
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图/三星
7 月 9 日,三星就在官网确认,日本人工智能公司 Preferred Networks(PFN)提前预订了三星 2nm 的产能,用来生产旗下第二代 AI 芯片。而英特尔这边,不仅准备了 20A(2nm)制程工艺,同期还有 18A(相当于 1.8nm)工艺。
但无论是台积电、三星还是英特尔,他们的最新计划都是计划在 2025 年投入量产,届时将是一场史无前例的 2nm 大战。
苹果 M5 首发,还有 SoIC 全新封装工艺
在今年 5 月 23 日的一场论坛上,台积电工艺开发副总经理张晓刚透露,目前 2nm 工艺开发进展顺利,「按计划 2025 年左右可实现量产。」
在 2nm 工艺节点上,台积电的准备可谓全面。首先是在晶体管架构上,台积电终于要在 2nm 工艺上采用全新的 GAA(Gate-All-Around)晶体管架构。不同于传统的 FinFET 架构,这种技术能够在性能和功耗上实现显著提升。
关于 GAA 技术,雷科技在《3nm 的芯片战争,才刚刚开始》中有过比较详细的介绍,其中就谈到:
计算性能最底层其实就是晶体管的「一开一关」,代表了二进制中的「0」和「1」,更底层是对晶体管内通道(又称沟道)的控制能力。FinFET 第一次将通道从横向转为竖向,而三星采用了宽通道(纳米片)的 GAAFET 技术,在单位面积内支持更多通道的控制……
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晶体管架构变迁,图/三星
总而言之,GAA 晶体管是大势所趋,不过不同于三星在 3nm 节点上就导入这种晶体管架构,台积电早早就定下在 2nm 节点导入的计划。
此外,台积电的 2nm 工艺还可能引入了背面供电技术,这种技术通过在芯片背面布置电源轨,减少了电源传输路径中的阻抗,提高了电源效率和信号完整性。简言之,就是提高通过电源利用率,来提高芯片的能效。
但尽管台积电此前表示,将在 2026 年将背面供电技术率先导入 N2P 工艺(台积电 2nm 的一个版本),最近却有报道指出,N2P 仍将采用常规供电电路。
不过可以肯定的是,台积电 2nm 工艺的全系版本都将增加全新的 NanoFlex。
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图/台积电
在今年 4 月的北美峰会上,台积电专门提到了 NanoFlex 技术,并表示 NanoFlex 将使芯片设计人员能够在同一块设计中混合和匹配来自不同库(高性能、低功耗、面积高效)的单元,从而使设计人员能够微调其芯片设计,以优化性能、功率和面积(PPA)。
另外根据台积电官方介绍,台积电 2nm 将于 2025 年下半年开始量产。而与 N3E 节点(台积电第二代 3nm 工艺)相比,N2 工艺在相同功耗下的性能提升了 10%到 15%,在相同性能下功耗降低了 25%到 30%。
这些改进使得 2nm 工艺能够在高性能计算和移动设备中发挥关键作用,不管是智能手机、PC,还是红得发紫的 AI 芯片都将受益于这种技术提升,实现更强的算力和更低的功耗。
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台积电工艺路线图,图/台积电
但还不只如此,台积电的 2nm 制程工艺还配套全新一代的封装工艺。
除了在晶体管架构和电源管理上的创新,台积电在 2nm 工艺中还引入了全新的 SoIC(System on Integrated Chips)封装技术。SoIC 技术能够将多个芯片垂直堆叠在一起,通过硅通孔(TSV)实现高效的电气互连,形成紧密的三维结构。
与传统的封装方式相比,SoIC 技术不仅能够大幅提升芯片的集成度和功能密度,还能显著降低系统的功耗和延迟。
在此之前,台积电 CoWoS 封装工艺已经「征服」了英伟达、AMD 等大量芯片设计厂商的 AI 芯片,让他们离不开台积电。在最新一代的 MI300 AI 芯片上,AMD 还率先采用 SoIC+CoWoS 的封装方案。
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MI300,图/ AMD
但在 AMD 之后,苹果 M5 系列可能是最先大规模采用 SoIC 封装工艺的产品。
同时作为台积电最大的客户,苹果也不意外是台积电 2nm 工艺的首发客户。按照目前流出的信息,M5 处理器将集成更多的核心、更高的频率和更强大的图形处理能力,进一步提升苹果设备的性能和用户体验。
三星紧追不放
在 2nm 工艺的竞争中,三星依然对台积电紧追不放。
在 3nm 工艺节点上,三星的表现并不尽如人意,第一代 3nm 工艺(SF3E)主要用于加密货币矿机芯片,始终没能在更广泛的市场上——比如手机、PC、HPC 等领域取得成功。
三星在 3nm 工艺上的失败主要归因于良率问题和性能未达预期,这导致许多客户转向竞争对手。所以为了应对这些挑战,三星声称在今年的第二代 3nm 工艺(SF3)中下「足了功夫」,其中之一是:
改名为「2nm 工艺」。
此前,Digitimes、ZDNet Korea 援引不同消息源指出,三星已经向客户和合作伙伴通知「第二代 3nm 工艺」更名为「2nm 工艺」,有业内人士还表示收到了三星关于更名的通知,还需要重新签订合同。
这不是三星第一次更名制造工艺了。2020 年,在从 7nm 过渡到 5nm 工艺时,三星就曾将「第二代 7nm 工艺」更名为「5nm 工艺」。
不过真的假不了,假的真不了,三星真正的 2nm 工艺(SF2)计划于 2025 年投入量产。
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三星工艺路线图,图/三星
在 6 月举办的 VLSI 技术研讨会(全称「超大规模集成电路国际研讨会」)上,三星就介绍了其采用 GAA 晶体管技术的第三代工艺——SF2,也是三星真正的 2nm 工艺。
按照三星的介绍,SF2 将通过引入独特的外延和集成工艺,「从而最大程度地提高栅极环绕优势,克服了产品增益与缩放和 GAA 结构冲突的问题。」具体到数据上,这将使其能够将晶体管性能提高 11-46%,与未指定的基于 FinFET 的工艺技术相比,可变性降低 26%,同时将泄漏降低约 50%。
值得一提的是,SF2 可能也是三星第一个引入背面供电技术的节点。据悉,三星已在两款 ARM 芯片上测试了 BS-PDN 技术,结果芯片尺寸分别缩小了 10%和 19%,性能和效率最高提升了 9%。
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图/三星
此外,三星在第一代 3nm 工艺中就率先引入了 GAA 技术,这种技术上的重大切换,在一定程度上影响了三星在 3nm 的良率表现。不过反过来,这也让三星更早了解和解决导入 GAA 技术带来的挑战。
这种优势,或许将使得三星能够在高性能计算、移动设备和其他需要高效能的应用场景中抢占先机。
为了做到这一点,三星不仅在技术研发上加大投入,还与超过 50 家知识产权(IP)合作伙伴合作,持有 4000 多项 IP,试图构建了一个强大的 2nm 生态系统。包括今年早些时候与 Arm 签署了一项协议,核心就是共同优化 Cortex-X 和 Cortex-A 内核,以适应三星的全栅极晶体管制造技术。
广泛地合作,也有助于三星在 2nm 工艺上取得更大的市场份额。
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图/三星
至少在本月,三星将原本台积电的客户——日本人工智能公司 PFN 抢了过来,促成了三星第一份公开的 2nm 芯片代工订单。
同时,高通也是三星可以争取的大客户。今年 2 月有消息传出,高通同时向三星和台积电委托了 2nm 芯片的开发和试产,至少说明了骁龙 8 Gen 5 还没有花落谁家。
英特尔能否后来居上?
当然的,作为半导体行业的老牌劲旅,英特尔在 2nm 节点上的布局同样不容小觑。英特尔的 2nm 工艺节点被称为 20A,原本预计将在 2024 年下半年开始量产,但目前也推迟到了 2025 年。
在 20A 工艺上,英特尔也将首发导入自己的背面供电技术(PowerVia)以及 GAA 晶体管架构(RibbonFET),以进一步优化性能和能效。以及通过 Foveros 和 EMIB 等先进封装技术,来提升芯片的集成度和性能。
不过英特尔的 20A 工艺,更多还是面向内部的芯片设计部门,也更像是初期版本。真正对外的「2nm 节点」,其实是「四年五代工艺」原计划的终点——英特尔 18A,比如微软就官宣将在未来基于英特尔 18A 工艺制造自研芯片,包括英特尔自家的 Clearwater Forest 也是基于 18A 工艺。
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四年五代工艺,图/英特尔
此外,从 20A、18A 开始,英特尔还将采用被台积电 CEO 魏哲家惊呼「很好但太贵」的 High NA EUV 光刻机。
至于英特尔能不能实现「四年五代工艺」的工程奇迹,甚至重回芯片代工世界的巅峰,还是要看届时的落地情况。
写在最后
最近几年,很多人开始越来越重视芯片这个「幕后英雄」,也连带重视起了芯片制造这个关键环节。
毫无疑问,2nm 工艺节点的到来,标志着半导体制造技术的又一次重大飞跃。台积电、三星和英特尔三大代工厂在这一节点上的竞争,将对未来的高性能计算和移动设备市场产生深远影响。
至于对工艺演进逼近物理极限的担忧,我还是更愿意相信台积电创始人张忠谋的那句:「柳暗花明又一村。」
2024上半年,科技圈风起云涌。
大模型加速落地,AI手机、AI PC、AI家电、AI搜索、AI电商……AI应用层出不穷;
Vision Pro开售并登陆中国市场,再掀XR空间计算浪潮;
HarmonyOS NEXT正式发布,移动OS生态生变;
汽车全面进入“下半场”,智能化成头等大事;
电商竞争日益剧烈,卷低价更卷服务;
出海浪潮风起云涌,中国品牌迈上全球化征程;
……
7月流火,雷科技·年中回顾专题上线,总结科技产业2024上半年值得记录的品牌、技术和产品,记录过去、展望未来,敬请关注。
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