一骑绝尘！台积电2nm大突进，三星慌了

这一周，台积电接连官宣了2个爆炸性的消息。
首先是台积电高级副总裁Y.P. Chin代表公司宣布：台积电即将开设2nm芯片研发中心。
紧接着，台积电（南京）有限公司总经理罗镇球确认，3nm芯片将在2022年进入量产阶段。

3nm芯片还没开始量产，台积电的2nm芯片研发就进入了公众的视线。
8月25日，多头成功为台积电守住了当日的股价，股价收盘录得1.44%的小幅上涨，换手率录得1.04%；26日，台积电涨幅进一步扩大至2.14%。

按照以往的规律，随着芯片纳米数量级越来越小，芯片制造将会越来越接近摩尔定律的天花板。
这意味着芯片的升级换代将带来更大的成本，而提高芯片密度带来的性能提升，也将进入一个明显的边际效益递减的过程。
但在芯片制造领域已经取得领导地位的台积电，依旧选择一掷千金，快速将2nm芯片制程的研发提上日程。



更先进的技术


台积电这个名字，中国大陆的读者已经非常熟悉。
这家位于台湾地区的半导体制造商，在过去的2年里由于某些众所周知的原因，与中国高科技产业的命运联系在了一起。
与其说是联系，倒不如说是一种近乎单向的影响力。
台积电此前表示2020年9月14日之后不再向华为高端芯片代工服务，由此带来的后果大家都知道了——由于没有其他代工厂可以进行生产，华为基于7nm制程生产的麒麟系列高端芯片成了“绝唱”。

台积电官宣的这座2nm工艺研发中心将会拥有一条先进的生产线，同时配套以8000名工程师。
研发中心可能位于台湾地区的南部科学园。此前就有报道称台积电正在园区内斥资1.25亿美元建造一座工厂。不过当时台积电没有透露工厂的用途。
从技术上看，台积电这次开始研发的2nm芯片工艺将会导入GAA-FET晶体管结构。
截止目前，台积电的3nm芯片依然在使用Fin-FET工艺。尽管台积电的3nm芯片已经完成了研发，但距离量产还有一段距离，更不用提已经带来的收益。
在这样的情况下，台积电对2nm制造工艺的布局，显得步子会不会有些大？



GAA-FET，台积电在琢磨啥？


台积电会因为步子大而扯着跨吗？这次投资和收益是否会成正比？
这要看台积电希望达到什么目的。
而要了解台积电此次布局2nm芯片的动机，我们必须先简单了解一下这次2nm芯片采用的GAA-FET工艺本身。
故事得从GAA-FET的“前辈”Fin-FET说起。
FinFET工艺全称Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管。这样的命名，来源于晶体管的形状与鱼鳍的相似性。
在一些晶体管密度较大的芯片中，这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流（leakage），也可以大幅缩短晶体管的栅长。

曾几何时，传统技术在遭遇瓶颈的情况下，Fin-FET成功为“摩尔定律”续了命，推动芯片朝着20nm及以下更高晶体管密度的方向继续发展到7nm，5nm甚至是3nm。
然而Fin-FET芯片的尺寸进一步缩小至3.5nm后，无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限，都使得晶体管制造都逐渐接近天花板了。
于是比FinEFT提出要早上10年的GAA-FET又重新被写进了台积电的日程表。
GAA-FET全称Gate-All-Around-Effect Transistor，即切入环绕式栅极技术。
顾名思义，这种技术与Fin-FET相似，但要求晶体管内部的硅通道完全被栅极材料包围，而不是像Fin-FET一样被栅极材料覆盖。
因此，这种技术可以增加晶体管密度，同时增加沟道的缩放潜力，解决了电压调节的问题进而降低电压缩放造成的功耗，同时还能提高性能。

业界认为，GAA-FET为半导体代工业务提供了一种超越FinFET设计的方法。
尽管这些改进的具体时间表可能不会像行业过去那么快，但至少关于它们是否会到来的不确定性现在可能会逐渐改观。
对于芯片和器件制造商而言，这些技术进步为半导体制造业的未来提供了更清晰的视角，并且应该让他们有信心推进积极的长期产品计划。



投入很大，产出很小？


但不容忽视的是，随着芯片的密度的日益提升，芯片更新换代能够带来的收益，反而逐渐进入了一个边际效应递减的过程。
就连摩尔定律的发现者，英特尔公司联合创始人戈登·摩尔都认为，“摩尔定律”必将终结。
我们在现有的芯片上，已经看到更新换代所带来的性能提升，有些增长乏力。
台积电曾经对自己的7nm工艺跟10nm工艺进行对比，结果是性能提升了20%、功耗降低40%、芯片密度是10nm的1.6倍。
然而到了5nm工艺的时候，芯片的性能比7nm提高了15%、能耗降低20%、晶体管密度提高1.8倍。
而与5nm工艺相比，3nm芯片的性能提升5%，能耗降低15%，晶体管的密度提高1.7倍。

然而芯片越是高端，其研发成本就越是高的吓人。
研发16nm芯片的制造工艺，大约需要16.43美元的研发成本，10nm为16.37美元，7nm成本18.26美元，5nm和3nm分别涨到23.57美元、30.45美元。

芯片本身的开发，也遵循同样的规律。
10nm芯片的开发成本已超1.7亿美元，7nm接近3亿美元，5nm超5亿美元，基于3nm开发的复杂芯片，设计成本更将高达15亿美元。
一句话总结：投入越来越高，性能的提升却越来越小。
不过面对高企的研发成本，台积电似乎并没有放慢脚步。
除了在南部科技园的厂房和8000名工程师之外，台积电最近还被外媒爆料，为配合2nm工艺的研发计划而一口气购买了2台光刻机。
2020Q2台积电的期末现金流余额录得4676.13亿新台币，同比减少了28.03%；
2020H1固定资产交易带来了3190.76亿新台币的现金流出，较上年同期扩大了48.87%；
2020H1台积电的研发费用录得498.62亿新台币，同比增长19.26%，占营收比重达到8%

据外媒的初步预计，台积电2020年的资本支出将进一步提升，达到160亿美元左右。
台积电是“疯”了吗？



赛道上的进攻与反攻


如果非要说台积电布局2nm的举动十分“疯狂”，那也是被竞争对手逼“疯”的。
纵观全球半导体市场，目前只有台积电和三星两家能够踏足3nm领域的芯片制造，两家之间的技术差距相对比较近。
然而三星对GAA-FET工艺的布局比台积电要早得多。

2019年5月14日在美国加利福尼亚州圣克拉拉举行的2019年三星代工论坛上，三星宣布将于2020年完成GAA工艺开发，并于2021年开始量产导入GAA工艺的3nm芯片。
值得注意的是，当时三星的芯片制造工艺由由5nm直接上升到3nm。4nm则被直接跳过了，其目的是为了抢在台积电之前完成3nm的研发。可见三星与台积电在3nm领域一较高下的决心。
2020年年初，三星成功试产了3nm芯片。
但三星的3nm之路在随后被突然打断，其激进的量产计划却因为新冠疫情爆发，被迫推迟到2022年。
这与台积电宣布要量产3nm芯片的时间节点，又来到了同一起跑线上。
反观台积电芯片研发的路径，则一直是稳扎稳打——从7nm到5nm，再到4nm和3nm，一步一个脚印。
不过在基于Fin-FET工艺的3nm制程刚完成研发、相关芯片尚未开始量产的时候，台积电便迅速调转马头，斥巨资投入GAA赛道，可见台积电也开始加快脚步了。
对于台积电来说，这次布局2nm的芯片制造，需要完成从Fin向GAA的转型。
对于三星来说，由于已经研发完成了GAA的研发，下一步需要利用这项技术来生产更高密度的芯片。
同一起跑线上的两种路径，谁比较快、谁走得更远，只有交给时间来验证。



慢人一步的慢性死亡


一边是台积电和三星之间打得飞沙走石，另一边则是“佛系”芯片公司，他们在纳米数量级和制造工艺的研发上，步子走得很慢。
这些公司包括曾经的“一骑绝尘”的芯片巨头英特尔。
从2014年推出14nm芯片开始，英特尔在14nm工艺优化的道路上可谓是越走越长。
2016年，在10nm的“战争”又爆发的时候，英特尔另辟蹊径，提出了“工艺、架构、优化”(P.A.O.)的策略模式，推出了14nm+，随后又在此基础上又推出了14nm++。
于是又人调侃英特尔的这种“挤牙膏”行为，称英特尔的终极目标是研发出14nm++++++。
其实英特尔并不是只有14nm的芯片，只是由于良品率问题导致其10nm芯片一再跳票。在2020年8月，英特尔的经济工程师们终于揭开Tiger Lake 10nm CPU微架构面纱，后者将出现在9月2日发布的产品中。

然而其他厂商的7nm芯片早已经走向商用。
曾经的英特尔在半导体领域是“一骑绝尘”的存在，如今已经无法与台积电和三星展开正面较量。
不过高密度芯片研发的进展缓慢，对于英特尔来说也只不过是温水煮青蛙式的慢性“死亡”
对于中国芯片制造商来说，形势则更加严峻。
7nm制程的芯片已经是中国大陆的芯片代工厂无法企及的高度。
然而到目前为止，被寄予厚望的中芯国际等中国制造商，能够做到的仅仅是在14nm制程芯片的基础上进行优化，使其性能达到与7nm芯片相近的水平。
华为麒麟系列高端芯片成了“绝唱”就是直接的后果。这也难怪华为已经开始自己研发芯片制造的技术。
只是当华为研发成功的时候，台积电的芯片制程又会缩小几个数量级呢？



小结


芯片行业的门槛有多高，自然已不必赘述。因此成功掌握了核心科技的上游玩家们，在整个游戏中将会赢家通吃。
这也是为什么台积电和三星两家竭尽所能力争“上游”。
而对于下游和低端玩家，另辟蹊径也许能够获得弯道超车的机会，但无法取得突破的话终究是一场温水煮青蛙的慢性“死亡”。
这两年中国半导体行业在“制裁”中学到的教训是：在落后的情况下，还需要加大投入、提前布局，方能在不进则退的赛道上立于不败之地。