臺積電實現(xiàn)2nm工藝突破，為何能給“摩爾定律”續(xù)命

今年，因為美國對華為、中芯國際的禁令的關(guān)系，臺積電這家原本處在芯片產(chǎn)業(yè)的后端的芯片制造企業(yè)，被一次又一次地搬到聚光燈前，接受外界對其里里外外的檢視。恰好此時，臺積電正在迎來其發(fā)展的高光時刻。雖然在9月份華為禁令生效之后，臺積電失去了華為的大額訂單，但是空出來的產(chǎn)能立刻被蘋果、高通等公司瓜分，并處在滿載生產(chǎn)狀態(tài)。疊加疫情下電子消費產(chǎn)品增長等因素，臺積電將在今年迎來超過全球晶圓代工廠的產(chǎn)業(yè)成長率高出10%的增長。

特別是臺積電領(lǐng)先其他晶圓代工廠的5nm7nm制程的營收占比超過43%，營收能力堪比“印鈔機”。與此同時，臺積電在更先進制程的研發(fā)和設(shè)備投入上更加不遺余力。為應(yīng)對新制程工藝產(chǎn)能擴大的需求，臺積電已經(jīng)向ASML訂購了新的13臺極紫外（EUV）光刻機，要求在2021年全部交付。據(jù)估算，13套EUV可能使臺積電花費高達22.84億美元。同時，臺積電剛剛決定明年起大幅漲薪達20%，一方面為激勵員工，一方面為招攬人才、避免被其他對手高薪挖人，用真金白銀來留住那些愿意繼續(xù)為造芯“爆肝”的工程師們。

在一片繁榮的商業(yè)前景之下，臺積電在更先進制程的技術(shù)布局上面也保持著領(lǐng)先。據(jù)臺灣媒體報道，近日臺積電在2nm工藝制程上取得了重大突破，研發(fā)進度超越預(yù)期，有望在2023年下半年，風險試產(chǎn)的良率可以達到90%。相比較于關(guān)注熱鬧的當下，我們不妨追蹤這條技術(shù)線索，來看下臺積電保持先進制程工藝的經(jīng)驗，看下它是如何來為游走在失效邊緣的摩爾定律來“續(xù)命”的。

2nm已突破，1nm也沒問題

我們先從技術(shù)層面來看下臺積電這次制程工藝的突破。臺積電在2nm制程工藝上的突破，來自于采用了全新的GAA晶體管架構(gòu)。區(qū)別于3nm和5nm制程所采用的鰭式場效晶體管（FinFET）架構(gòu)，這次2nm改用了全新的多橋通道場效晶體管（MBCFET）架構(gòu)，這一架構(gòu)是以環(huán)繞閘極（GAA）制程為基礎(chǔ)的架構(gòu)，可以解決FinFETch因為制程微縮而產(chǎn)生的電流控制漏電等物理極限問題。

可以說，GAA制程工藝的出現(xiàn)，相當于又給摩爾定律續(xù)命了五年左右。摩爾定律說的是，每18到24個月，集成電路上可容納的元器件數(shù)目便會增加一倍，芯片的性能也會隨之翻一番。我們知道，這個定律并非一定會發(fā)生的定理，而只是一個預(yù)測，這個預(yù)測是建立在半導(dǎo)體制程工藝能夠穩(wěn)步提升的情況下，但現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)依賴FinFET架構(gòu)，已經(jīng)實現(xiàn)了7nm和5nm制程的芯片量產(chǎn)，很多人買到的最新的iPhone12、華為Mate40就采用的是5nm制程的芯片。

不過，隨著晶體管尺度向5nm甚至3nm邁進，F(xiàn)inFET本身的尺寸已經(jīng)縮小至極限后，無論是鰭片距離、短溝道效應(yīng)、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得難以完成。

現(xiàn)在，依托FinFET技術(shù)，臺積電的芯片工藝制程的終點來到了3nm，再向下就遇到瓶頸。根據(jù)報道，GAA技術(shù)是2006年由科學技術(shù)研究院和國家納米晶圓中心開發(fā)的一種基于全能門FinFET技術(shù)的晶體管，而三星正率先在3nm工藝上采用了基于GAA技術(shù)開發(fā)的MBCFET架構(gòu)形態(tài)。出于穩(wěn)健考慮，臺積電則選擇在第一代3nm工藝將繼續(xù)用FinFET技術(shù)，而2nm工藝上采用了三星一樣的MBCFET架構(gòu)。

臺積電在新制程上的進展，將為新一代芯片的速度效能提升30%到40%，功耗則將降低20%-30%，相應(yīng)的，新制程的研發(fā)成本將高達5億美元，相較于28nm工藝的0.6億美元的成本，確實是直線上升。現(xiàn)在，臺積電依靠在EUV微顯影技術(shù)和納米片堆疊關(guān)鍵技術(shù)上的積累，使得2nm制程的開發(fā)良率提升進度超出預(yù)期。根據(jù)臺積電在最近召開的“2020世界半導(dǎo)體大會”的官方說法，芯片制程工藝將繼續(xù)推進，摩爾定律將在3nm、2nm、1nm上繼續(xù)適用。根據(jù)目前透露的消息，2nm芯片的生產(chǎn)布局，將在臺灣新竹進行建設(shè)和研發(fā)。

多管齊下，為領(lǐng)先制程布下完整技術(shù)圖譜

從上面的技術(shù)介紹來看，臺積電的2nm工藝采取的GAA制程架構(gòu)，盡管并非自己研發(fā)，其在3nm制程上，還沒有三星激進地采用MBCFET架構(gòu)，但想要發(fā)揮GAA架構(gòu)優(yōu)勢，就必須要看到臺積電在保持工藝領(lǐng)先性和生產(chǎn)良率上的技術(shù)優(yōu)勢和積累。比如，以3nm工藝為例，臺積電繼續(xù)采用FinFET架構(gòu)晶體管設(shè)計，一方面正是由于其研發(fā)團隊將FinFET的性能提高到了新的高度，與5nm相比，3nm在速度上有10-15%的提升，功耗有25-30%的降低，而邏輯密度則提高了1.7倍，SRAM密度也將提升20%，另一方面是由于3nm可以在2022年下半年量產(chǎn)，這樣能讓下單客戶實現(xiàn)技術(shù)的快速升級，率先推出領(lǐng)先的產(chǎn)品。

從臺積電的技術(shù)布局上，我們可以找出其在制程工藝上面的成功因素。

首先是其長期投入獲得領(lǐng)先的技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢。比如，為配合新制程工藝的良率，臺積電在Nano-Sheet結(jié)構(gòu)上面，已經(jīng)成功生產(chǎn)出了32 Mb nano-sheet的SRAM，在低電壓功耗上面具有明顯優(yōu)勢；在2D材料上，臺積電基于包括硫化鉬和硫化鎢在內(nèi)的的2D硫化材料獲得性能非常高的On-current；在電源管理上，臺積電的研究人員用碳納米管嵌入到一個CMOS的設(shè)計中，用來替代Power Gating的控制電流作用，給未來的進一步微縮提供新的思路。

其次是臺積電形成的長期的技術(shù)合作產(chǎn)業(yè)鏈。ASML作為早期和臺積電建立合作的光刻機供應(yīng)商，在為臺積電提供設(shè)備的同時，也得到來自臺積電的技術(shù)反饋。目前，臺積電在在EUV光刻技術(shù)的OPC、光罩和光阻等多個方面都有投入，比如臺積電在EUV技術(shù)結(jié)合上，采用自對準墊片獲得了業(yè)內(nèi)最小的18nm的mental pitch，對晶體管微縮大有幫助。

再就是對工藝流程的優(yōu)化改造。為了應(yīng)對摩爾定律接近失效的危機，僅僅從微縮晶體管，提高密度以提升芯片性能的角度正在失效。臺積電推動了多項前段和后段的3D封裝技術(shù)，來提升芯片性能。比如在芯片制造前段實現(xiàn)的SOIC 3D堆疊技術(shù)，在后段實現(xiàn)的CoWoS和InFo的3D封裝技術(shù)。這些技術(shù)在幫助實現(xiàn)晶體管微縮的同時，進一步提高了良率。

此外，非常重要的一點就是臺積電在特殊制程上的長期積累。這可能是很少為人注意的一點。臺積電具有MEMS、圖像傳感器、嵌入式NVM，RF、模擬、高電壓和BCD功率IC方面的廣泛產(chǎn)線投入。同時，也在邏輯IC技術(shù)基礎(chǔ)上，加上先進的ULL&SRAM、RF&Analog以及eNVM技術(shù)，以實現(xiàn)低功耗以及模擬技術(shù)的提升。特殊制程將推出IoT場景和AI場景設(shè)備的發(fā)展。

以上的一系列技術(shù)優(yōu)勢，得益于臺積電龐大的研發(fā)投入。據(jù)數(shù)據(jù)，近幾年，臺積電每年的研發(fā)投入都達到100億美元。而臺積電在技術(shù)路線上的領(lǐng)先布局和長期巨額的研發(fā)投入，實際上跟其所創(chuàng)立的Foundry代工廠創(chuàng)新模式有關(guān)，也和臺積電本身的所處的地緣、產(chǎn)業(yè)機遇期有關(guān)。

專注投入和自主研發(fā)：臺積電的技術(shù)領(lǐng)先心法

我們看到，臺積電在3nm工藝的架構(gòu)路線穩(wěn)健推進和領(lǐng)先量產(chǎn)，以及在2nm工藝上的架構(gòu)路線升級和順利推進，都源于其在整個半導(dǎo)體晶圓制造上的長期研發(fā)投入和技術(shù)積累。而這給了我們一種錯覺，似乎完成這些動作就可以實現(xiàn)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)，能又一次延續(xù)摩爾定律的神話。但實際上，這既有臺積電創(chuàng)立之初所建立的獨特創(chuàng)新模式，也與臺積電在幾次關(guān)鍵技術(shù)路口的正確選擇有關(guān)。

畢竟，在臺積電三十多年的崛起之路上，始終橫亙著英特爾這樣的IDM整合元器件老前輩以及三星這個強勁的同行老對手，臺積電必須在一次次的挑戰(zhàn)中走對路、押對注，才能有幸活下來。臺積電能夠取得領(lǐng)先工藝制程的根本原因在于，其率先創(chuàng)立的專門專注于芯片制造的代工廠（Foundry）模式。80年代末，臺積電創(chuàng)立之初，原本是未來抓住美國“拆解”了日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)后的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的機會，但如果采用原有設(shè)計、制造和封裝一體化的DIM模式，將根本無法與歐美廠商競爭，也沒有那么雄厚的資金支持。

臺積電創(chuàng)始人張忠謀另辟蹊徑地拆解出“后端制造”這一個環(huán)節(jié)，開始了代工廠模式。這一行業(yè)垂直化分工帶動了一批芯片設(shè)計公司的出現(xiàn)，也為臺積電的專注制造工藝的發(fā)展提供了生存機會。從創(chuàng)立之初，臺積電不僅避免了和英特爾的正面競爭，而且還獲得了英特爾的第一筆訂單和工藝技術(shù)的指導(dǎo)。后面，基于Foundry模式的中立屬性，臺積電獲得了蘋果、高通、AMD這些有著競爭關(guān)系的客戶的長期訂單。臺積電的模式從而使得整個產(chǎn)業(yè)鏈能夠?qū)Ｗl(fā)揮自身的優(yōu)勢，而臺積電則把全部資源重點投入到先進制程工藝和生產(chǎn)工藝的改進升級上面。

不過，臺積電的發(fā)展并非一帆風順，而是在幾個關(guān)鍵技術(shù)關(guān)口的堅持自主研發(fā)和正確押注，才使其沒有在半導(dǎo)體的淘汰賽中落敗。

第一次關(guān)鍵抉擇是2003年，臺積電拒絕了IBM新開發(fā)的銅制程工藝，用自研的技術(shù)來打破了IBM的技術(shù)鉗制。第二次是2004年，臺積電準備推動自己研制的“濕法光刻技術(shù)”，就在遭到日本尼康、佳能的一致抵制下，與當時還是同處邊緣位置的荷蘭ASML一拍即合，實現(xiàn)了對光刻技術(shù)的顛覆式突破，從此也和ASML結(jié)下了革命的友誼。2004年，臺積電就拿下了全球一半的芯片代工訂單，位列半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模前十。

第三次是在2009年的全球金融危機之時，臺積電深陷三星阻擊和業(yè)務(wù)衰退的雙重危機。此時重新回歸的張忠謀力挽狂瀾，召回已經(jīng)退休的蔣尚義，開始了擴員、擴研發(fā)的大舉反擊。當時在28納米制程的關(guān)鍵技術(shù)上，臺積電選擇了后閘級方案，而非三星正在研發(fā)的前閘級方案，這一次正確的判斷，使得臺積電良率大幅提升，三星卻仍沒有進展。緊接著，臺積電用堅定的產(chǎn)線投入和人力打動了蘋果。幾年后，拿到了蘋果A8芯片的全部訂單，贏得了發(fā)展良機。

而此后，臺積電在人才、客戶、專利、技術(shù)路線上與三星展開激烈交鋒，一直持續(xù)至今。但臺積電在7nm工藝上取得領(lǐng)先之后，其領(lǐng)先優(yōu)勢一直保持至今。而雙方的下一個戰(zhàn)場，將在3nm工藝上展開。從這些關(guān)鍵因素和眾多的關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，我們可以總結(jié)出臺積電能夠取得先進工藝的技術(shù)領(lǐng)先的核心要點：

1、臺積電開創(chuàng)的Foundry模式，使其能夠在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中保持“中立”立場，能夠和不同IC設(shè)計廠商進行通力合作獲得先進的設(shè)計方案，又能夠心無旁騖地將只專注到晶圓制造的各個工藝環(huán)節(jié)中，獲得了行業(yè)垂直分工的專屬優(yōu)勢。

2、臺積電在初期確立的自主研發(fā)的路線和不遺余力的研發(fā)投入，先是擺脫了技術(shù)附庸的身份，又在后面一次又一次地擺脫技術(shù)專利的圍堵，以及實現(xiàn)領(lǐng)先工藝的反超。

3、除了自身努力的因素，臺積電背后身處的美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所主導(dǎo)的分工格局，以及蘋果、高通等公司為鉗制韓國、三星和臺灣地區(qū)所給予臺積電的支持密不可分。訂單和市場需求始終是推動先進工藝技術(shù)升級的最終驅(qū)動力。

臺積電的技術(shù)領(lǐng)先，從現(xiàn)實競爭上，對我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，仍然是一場嚴峻的挑戰(zhàn)。受到美國長臂管轄鉗制的臺積電，短期內(nèi)難以在為華為海思這樣的先進IC設(shè)計企業(yè)生產(chǎn)芯片，同時也成為我國的芯片制造代工企業(yè)短期內(nèi)難以企及的競爭對手。不過，臺積電的技術(shù)領(lǐng)先的經(jīng)驗，從產(chǎn)業(yè)共性上來說，仍然值得國內(nèi)的廠商學習。在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)合作風險充滿變數(shù)的當下，練好內(nèi)功，專注核心工藝技術(shù)的研發(fā)，將是在逆境中前行的不二心法。
fqj