英特尔联合创始人戈登·摩尔于 1965 年提出的摩尔定律预测，微芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番，而成本会继续下降。这种趋势几十年来一直如此，但最近半导体行业内部人士认为摩尔定律几乎已经死了。但2nm制程的出现能够再次延续摩尔定律。ICViews整理了关于2nm研发的新进展。

日美深化尖端芯片合作，旨在超越2nm技术

在半导体产业日益激烈的竞争中，日本和美国将深化在建立尖端半导体设备供应链方面的合作。

日经获悉，两国政府已接近就合作生产超过 2nm的芯片达成一致。他们还在研究一个框架，以防止技术泄漏。

日本经济产业大臣萩田晃一将于周一访问美国，会见商务部长吉娜·雷蒙多。预计他们将在访问期间宣布芯片合作。两国都担心自己对中国台湾和其他供应商的依赖，并寻求来源多样化。

台积电是 2 nm技术的领先开发者，而 IBM 也在 2021 年完成了原型。

日本政府已邀请台积电在西南九州岛建厂，以增加日本国内芯片产量。然而，这家工厂只会生产不太先进的 10 到 20 nm芯片。此次日美新合作，聚焦前沿发展，定位为继台积电邀请后的下一步。

在日本，东京电子和佳能等芯片制造设备供应商正在日本先进工业科学技术研究所开发先进生产线的制造技术，IBM 也是其中的参与者。日本和美国希望在 2 nm芯片生产方面赶上中国台湾和韩国公司，并最终在更先进的半导体领域引领行业。

日本的芯片制造商较少，但在用于芯片生产的半导体生产设备和材料方面实力雄厚。

除了 2 nm技术之外，“Chiplet”——通过将半导体芯片连接到单个基板上制成——也可能是一个合作领域，尤其是在英特尔拥有生产方法的情况下。

日本加强与美国芯片合作的举措是出于对国内开发和该行业生产减弱的担忧。

1990 年，日本拥有约 5 万亿日元（按当前汇率计算为 380 亿美元）的全球半导体市场的约 50%。但该市场份额已缩水至约 10%，尽管行业规模已膨胀至约 50 万亿日元。

IBM的2nm芯片

半导体芯片保存着我们使用电脑、手机、电器、相机和汽车所需的数据。随着新馆疫情引发了向远程工作的大规模过渡，增加了全球对计算机的依赖，它加剧了对芯片的需求，也助长了全球芯片短缺。“人们认为这是理所当然的，”IBM 研究院副总裁 Mukesh Khare 说。“但一切都在半导体上运行。芯片是我们在现代技术中的支柱。”

几十年来，晶体管已经缩小，从 1971 年最初的 10000nm)缩小到 2020 年的 5 nm。IBM 新芯片上的 2 nm晶体管，本质上是一个连接晶体管的电路，比肉眼可以察觉的要小得多。一根头发的宽度是100000nm；约7000nm的红细胞；一条约 2.5nm 的 DNA 链。尺寸很重要：晶体管越小，就越适合芯片，从而提高效率。“每次你把事情做得更小，你就可以做得更多，”Khare 说。

IBM公告指出，与现代 7nm 处理器相比，IBM 的 2nm 开发将在相同功率下将性能提高 45%，或在相同性能下提高 75% 的能量。IBM 热衷于指出，它是第一个在 2015 年和 2017 年展示 7nm 和 5nm 的研究机构，后者从 FinFET 升级到纳米片技术，允许更大程度地定制单个晶体管的电压特性。

虽然 IBM 没有明确说明，但图片显示这款新的 2nm 处理器正在使用三层 GAA 设计。

IBM 表示，该技术可以将 500 亿个晶体管安装在指甲大小的芯片上（本文中的指甲为 150 平方毫米）。这使 IBM 的晶体管密度达到每平方毫米 3.33 亿个晶体管 (MTr/mm2)。

传台积电2026年初交付首批2nm芯片

据外媒报道,台积电据将于2025年底开始使用N2(2nm级)工艺量产芯片,并于2026年初交付第一批芯片,第一批客户将是苹果和英特尔。

其中,苹果最早可能在2025年为其iPhone和Mac芯片采用2nm 工艺,因为该公司的主要芯片供应商台积电已开始计划在2025年初生产该工艺。

目前,苹果所有最新芯片均采用5nm工艺,包括iPhone13系列中的A15 Bionic和整个M1系列芯片。根据DigiTimes今天的一份新报告,台积电将在今年晚些时候开始大规模生产3nm芯片,2025年将开始量产 2nm。

去年的一份报告称,预计苹果将于今年晚些时候发布的下一代iPad Pro将采用3nm工艺。当前的iPad Pro配备了M1芯片,预计2022年版本将包括苹果全新的“M2”芯片。据台积电称,3nm工艺技术的性能提升高达15%,同时电池消耗量减少至少25%。

此外,英特尔将于2024年底进行N2产品风险生产(消费级PC Lunar Lake GPU)。虽然只是推测,但英特尔此前PPT曾表示,接下来的GPU将使用比N3更先进的技术进行外部制造。

从3nm走向2nm

据报道，目前担任IBM混合云研究副总裁的Mukesh Khare带领其完成了2纳米技术的突破。（如果Khare真正从事半导体研究，那么这个头衔就显得很愚蠢）。资料显示，Khare在1999年到2003年间，从事90纳米SOI工艺的开发，该工艺将Power4和Power4 +推向市场，他随后又负责了65纳米和45纳米SOI的推进，这些技术被Power5和Power6采用；之后他对对用于Power7的32纳米技术进行了研究，然后研究了在Power8上使用的22纳米工艺中使用的高k /金属栅极技术。然后Khare继续担任奥尔巴尼纳米技术中心的半导体研究总监。

如下图所示，这是IBM掌握的2纳米芯片制造技术的要点。里面有很多东西，所以让我们把它拆开一点。

首先，在这个芯片上，IBM用上了一个被称为纳米片堆叠的晶体管，它将NMOS晶体管堆叠在PMOS晶体管的顶部，而不是让它们并排放置以获取电压信号并将位从1翻转为零或从0翻转为1。这些晶体管有时也称为gate all around或GAA晶体管，这是当前在各大晶圆厂被广泛采用的3D晶体管技术FinFET的接班人。从以往的介绍我们可以看到，FinFET晶体管将晶体管的源极和漏极通道拉入栅极，而纳米片将多个源极和漏极通道嵌入单个栅极以提高密度。

IBM表示，其采用2纳米工艺制造的测试芯片可以在一块指甲大小的芯片中容纳500亿个晶体管。

在IBM的这个实现方案下，纳米片有三层，每片的宽度为40纳米，高度为5纳米。（注意，这里没有测量的特征实际上是在2纳米处。因为这些术语在很大程度上是描述性的，而不是字面意义的，这令人发指。可以将其视为如果栅极仍为平面则必须具有的栅极尺寸，但却不是平面的，我想可能是这样。）如果您在上表的右侧看，那是一张纳米片的侧视图，显示出它的侧视图，其间距为44纳米，栅极长度为12纳米，Khare认为这是其他大多数晶圆代工厂在2纳米工艺所使用的尺寸。

2纳米芯片的制造还包括首次使用所谓的底部电介质隔离（bottom dielectric isolation），它可以减少电流泄漏，因此有助于减少芯片上的功耗。在上图中，那是浅灰色的条，位于中部横截面中的三个堆叠的晶体管板的下面。

IBM为2纳米工艺创建的另一项新技术称为内部空间干燥工艺（inner space dry process），从表面上看，这听起来不舒服，但实际上这个技术使IBM能够进行精确的门控制。

在实施过程中，IBM还广泛地使用EUV技术，并包括在芯片过程的前端进行EUV图案化，而不仅是在中间和后端，后者目前已被广泛应用于7纳米工艺。重要的是，IBM这个芯片上的所有关键功能都将使用EUV光刻技术进行蚀刻，IBM也已经弄清楚了如何使用单次曝光EUV来减少用于蚀刻芯片的光学掩模的数量。

这样的改善带来的最终结果是，制造2纳米芯片所需的步骤要比7纳米芯片少得多，这将促进整个晶圆厂的发展，并可能也降低某些成品晶圆的成本。这是我们能看到的。

最后，2纳米晶体管的阈值电压（上表中的Vt）可以根据需要增大和减小，例如，用于手持设备的电压较低，而用于百亿超级计算机的CPU的电压较高。

IBM并未透露这种2纳米技术是否会采用硅锗通道，但是显然有可能。

与当前将使用在Power10芯片的7纳米制程相比，这种2纳米制程有望将速度提高45％或以相同速度运行，将功耗降低75％。

现在，我们知道您在想什么。首先，Power11芯片会使用这种2纳米工艺吗？其次，这之后到底会发生什么？1纳米工艺似乎几乎是不可能的，不是吗？

让我们再谈一遍Power路线图。Power10为7纳米，并且考虑到Power和z服务器业务的保守性和遗留的特性（正在对处理器进行三年更新），已经在设计中的Power11和正在白板中的Power12在有5纳米和3纳米节点可以使用时，似乎并没有必要先冲到2纳米。Khare也预计将在2024年底准备生产。Power11应该在2023年左右的某个时候出现，并且应该采用成熟的5纳米工艺，这意味着它将相对便宜。（比起采用4纳米，3纳米或2纳米工艺更便宜，这是相对的部分。）

Khare说：“我认为没有一堵墙是我们无法突破的，我会说还有更多的突破正在酝酿之中，随着技术的成熟，我们将分享越来越多的突破。”这是一个不错的措辞。“我没有看到一堵墙，我看到了很多机会和很多可以创新的东西，我们可以不断创新。”他补充说。

台湾仍将控制全球61%先进制程产能

近日集邦科技（TrendForce）发布了最新的研究报告，预计2022年中国台湾地区晶圆代工厂商的16nm乃至更先进制程，在全球的市占率高达61%，稳居全球晶圆代工产业龙头地位。另外，以产值来看，2022年台湾晶圆厂营收预计在全球占比达66%，也将持续站稳第一的位置。

TrendForce指出，台湾晶圆厂近年扩产计划仍以台湾为重心，包含台积电最先进的3nm与2nm制程节点仍留在台湾；联电、世界先进、力积电等公司也有数项新厂计划，遍布新竹、苗栗、台南等地。

虽然也有不少晶圆厂宣布在中国大陆扩产，同时也有不少在美国、日本、新加坡等地有建厂计划，其他各国当地晶圆厂也在积极扩产，但TrendForce认为，这些半导体聚落并非快速成型，供应链的完整性依赖于原物料、设备、硅晶圆到IP设计服务、IC设计、制造、封测，甚至品牌厂、通路商等上中下游的相辅相成。

TrendForce预测，2022年台湾地区将掌握全球晶圆代工48%产能，台湾拥有人才、地域便利性及产业聚落优势，台厂仍倾向将研发、扩产重心留于台湾。从现有扩产蓝图看，至2025年时，台湾仍将掌握全球44%的晶圆代工产能，并拥有全球58%先进制程产能，在全球半导体产业持续强势。

在台厂全球扩产趋势下，TrendForce预估，2025年台湾本地晶圆代工产能市占将略降至44%，其中12吋晶圆产能市占47%，先进制程产能约58%。

目前8吋及12吋晶圆厂以中国台湾最多，达到了24座厂，之后依次为中国大陆、韩国、美国。据2021年后的新建厂计划，新增工厂数量最多的也是中国台湾，包含六座新厂计划已在进行，其次是中国大陆及美国，分别有四座及三座新厂计划。

TrendForce分析认为，台湾在全球半导体供应链中的地位极为关键，2021年半导体产值市占26%，排名全球第二，IC设计及封测产业分别占全球27%及20%，位列全球第二及第一，而晶圆代工市占更以64%稳居龙头。

TrendForce指出，过去两年受疫情及地缘政治影响，引发芯片缺货潮后，为避免再因物流困境或跨国出货禁令导致芯片取得受碍，各国政府芯片制造本地化意识已迅速抬头，台厂也成为各国争相邀请前往设厂的对象。

文章来源：芯智讯，半导体产业纵横，半导体行业观察