雖然3nm方興未艾，但圍繞2nm工藝的爭奪戰已經正式打響。在今年2月份，根據韓媒Sedaily 報道，稱三星正在積極推進2nm 工藝，並且已討論為高通和Samsung 的LSI 部門生產原型產品，當前有一款未命名的Exynos 可能正處於早期測試階段；三月份的時候，Marvell宣布擴大與台積電的合作，以開發業界首個生產針對加速基礎設施優化的2nm 半導體的技術平台。

本月，蘋果營運長傑夫威廉斯(Jeff Williams) 被曝低調到訪台積電，其此行的目的主要是為了確保公司2nm的產能供給。

有見及此，三大晶圓代工廠台積電、三星和Intel正在圍繞2nm明爭暗鬥，日本新興晶圓廠Rapidus也正在摩拳擦掌，躍躍欲試。

台積電，如期量產

圍繞著台積電的2nm，最近有許多傳言。

但據台媒工商時報報道，台積電製程開發副總經理張曉剛在5月23日的論壇上表示，“2奈米製程開發進展順利”，“按計劃2025年左右可實現量產”，以此駁斥了“台積電因技術問題將2奈米製程全面量產推遲至2026年」的猜測。

台積電在官方網站中介紹2nm的時候說到，隨著不斷突破先進邏輯技術的擴展界限，台積電已經遠遠超越了FinFET，實現了2 奈米節點的商業化，這是以奈米片晶體管為特色的一流邏輯技術。台積電業界領先的N2 技術具有出色的低Vdd 性能，非常適合行動和穿戴式應用。此外，N2 的超薄堆疊奈米片為HPC 帶來了全新等級的節能運算。還將添加背面電源軌以進一步提高效能。

台積電認為，對於希望利用奈米片技術無與倫比的優勢來釋放前所未有的創新能力的客戶來說，台積電N2 技術是一個策略選擇。

在四月份的北美峰會上，台積電也披露了2nm的更詳細的計劃。

根據台積電當時所說，公司預計在2025 年下半年開始在其第一代GAAFET N2 節點上批量生產晶片，而N2P 將在2026 年底接替N2——儘管沒有之前宣布的背面供電功能。同時，整個N2 系列將增加台積電的全新NanoFlex 功能，該功能允許晶片設計人員混合和匹配來自不同庫的單元，以優化性能、功率和麵積(PPA)。

相關通報表示，在本次高峰會上，台積電的一項重要公告是台積電的NanoFlex 技術，該技術將成為該公司完整的N2 系列生產節點（2 奈米級、N2、N2P、N2X）的一部分。 NanoFlex 將使晶片設計人員能夠在同一塊設計中混合和匹配來自不同庫（高性能、低功耗、面積高效）的單元，使設計人員能夠微調其晶片設計以提高性能或降低功耗。

台積電當代的N3 製造流程已經支援類似的功能FinFlex，該功能還允許設計人員使用來自不同庫的單元。但由於N2 依賴全柵(GAAFET) 奈米片晶體管，因此NanoFlex 為台積電提供了一些額外的控制：首先，台積電可以優化溝道寬度以提高性能和功率，然後構建短單元（以提高面積和功率效率）或高單元（以提高15% 的性能）。

台積電的強調，公司的N2 將於2025 年進入風險生產，並於2025 年下半年進入大批量生產(HVM)，因此看起來我們將在2026 年看到N2 晶片出現在零售設備中。與N3E 相比，台積電預計N2 將在相同功率下將效能提高10% 至15%，或在相同頻率和複雜度下將功耗降低25% 至30%。至於晶片密度，該代工廠正在考慮將密度提高15%，以當代標準來看，這是一個很好的擴展程度。

繼2nm之後，性能增強型N2P 和電壓增強型N2X 將於2026 年問世。儘管台積電曾表示N2P 將在2026 年增加背面供電網路(BSPDN)，但看起來並非如此，N2P 將使用常規供電電路。原因尚不清楚，但看起來該公司決定不為N2P 添加昂貴的功能，而是將其保留到下一代節點，該節點也將於2026 年底向客戶提供。

不過，2nm仍有望在電源方面實現一項重大創新：超高性能金屬-絕緣體-金屬(SHPMIM) 電容器，這些電容器的添加是為了提高電源穩定性。 SHPMIM 電容器的容量密度是台積電現有超高密度金屬-絕緣體-金屬(SHDMIM) 電容器的兩倍以上。此外，與上一代產品相比，新的SHPMIM 電容器的薄層電阻(Rs，單位為歐姆/平方) 和通孔電阻(Rc) 降低了50%。

為了生產2nm，台積電更是規劃了幾個工廠。

根據今年年初的報告，台積電正準備在台灣建造兩座能夠生產N2 晶片的製造廠。第一座工廠計劃位於新竹縣寶山附近，毗鄰其專門為開發N2 技術及其後續技術而建的R1 研發中心。該廠預計將於2025 年下半年開始大量生產(HVM) 2nm 晶片。第二座能夠生產N2 晶片的製造廠將位於高雄科學園區，該​​園區是高雄附近南台灣科學園區的一部分。該工廠的HVM 啟動時間預計稍晚一些，可能在2026 年左右。

此外，台積電正在努力獲得政府批准，在台中科學園區建造另一座具有N2 能力的工廠。如果該公司在2025 年開始建造該設施，該工廠最早可在2027 年投入使用。

當然，拿到了美國政府補貼的台積電也會在那邊生產2nm。依照原規劃，台積電在美的第二座晶圓廠除了先前宣布的3nm 技術外，還將採用下一代奈米片電晶體生產世界上最先進的2nm 製程技術，並將於2028 年開始生產。第三座晶圓廠將採用2nm 或更先進的製程生產晶片，並將於2020 年底開始生產。

三星，積極應對

作為首先量產3nm的晶圓廠，三星在2nm方面也積極應對。首先，是一條來自台媒Digitimes的傳言。

據報道，三星電子將其第二代3nm 製程更名為“2nm 製程”，預計將於2024 年下半年開始量產。

儘管早在2023 年底就有傳聞稱三星打算將第二代3nm 製程更名為2nm，但ZDNet Korea援引業內人士的話報道稱，三星已開始通知客戶和合作夥伴，將在2024 年初將「第二代3nm製程」更名為「2nm 製程」。

業內人士透露，他們已經收到三星關於更名的通知，並因此需要重新簽約。

分析認為，更名可能有助於三星行銷其代工服務。這也不是三星第一次更名其製造流程。 2020 年，從7nm 過渡到5nm 製程時，三星將「第二代7nm 製程」更名為「5nm 製程」。

三星於2022 年6 月在全球率先量產採用全閘極(GAA) 製程的3nm 晶片。該公司計劃於2024 年開始量產其第二代3nm 工藝，並於2025 年開始量產2nm 製程。更名後，三星可能會整合第二代3nm 和2nm 製程。據推測，三星最快可能在2024 年下半年開始量產2nm 晶片。

美媒Tomshardware則在通報中指出，三星代工廠將於6 月舉辦的VLSI 研討會上詳細介紹其採用全柵(GAA) 電晶體的第三代製程技術。該技術稱為SF2，將成為該公司最初的2nm 級製造流程。該節點預計將在效能和效率方面提供顯著改進。

根據該公司自己的描述，即將到來的節點將透過獨特的外延和整合製程進一步完善三星的多橋通道場效電晶體架構。這將使其能夠將電晶體性能提高11-46%，與未指定的基於FinFET 的製程技術相比，可變性降低26%，同時將洩漏降低約50%。

三星在描述中寫道：「透過引入獨特的外延和整合工藝，第三代MBCFET（SF2）能夠充分發揮產品性能，從而最大程度地提高閘極環繞優勢，克服了產品增益與縮放和GAA 結構衝突的問題。此外，與FinFET 技術相比，它可將電晶體整體變化降低26%，並將產品漏電降低約50%。該工藝還透過與客戶加強設計技術共同優化(DTCO) 合作，為未來的技術進步奠定了基礎。

韓媒Business Korea更是報導，三星不僅在突破技術界限，而且還在加強其2nm 級製造流程的生態系統。該公司正在與50 多個智慧財產權(IP) 合作夥伴合作，擁有4,000 多個IP 。但出於顯而易見的原因，其中只有少數是針對GAA 節點，尤其是SF2。同時，今年早些時候，三星和Arm 簽署了一項協議，共同優化Cortex-X 和Cortex-A 內核，以適應三星的全柵極電晶體製造技術。

據稱，三星表示，SF2 的設計基礎設施（PDK、EDA 工具和授權IP）將於2024 年第二季完成。一旦完成，三星的晶片開發合作夥伴將能夠開始為該生產節點設計產品。

與此相關，三星預計今年開始使用其第二代3nm 級製造製程（稱為SF3）製造晶片。三星的第一代3nm 級節點SF3E 並不是特別成功，因為該公司主要使用這項技術生產加密貨幣挖礦晶片。但三星希望其SF3 節點能得到更廣泛的應用，包括更複雜的設計，包括資料中心產品。

根據報道，三星將於2025 年開始大規模生產用於行動應用的2 奈米工藝，並在2026年推進2奈米技術應用於超級電腦和電腦市場的高性能運算（HPC）晶片，到2027年，2nm製程將應用於汽車晶片。

值得一提的是，SF2 可能是第一個引入背面供電的三星代工廠節點。據悉，三星代工廠已在兩款ARM 晶片上測試了BSPDN 技術，結果晶片尺寸分別縮小了10% 和19%，性能和效率最高提升了9%。該報道還稱，測試結果超出了公司的績效目標。

關於三星的2nm晶圓廠，筆者並沒有找到太多資訊。但有報導表示，該公司計劃到2047 年在韓國首爾附近的一個「大型集群」半導體項目中總投資500 兆韓元（3,710 億美元），該公司希望在這裡生產2nm 晶片。據介紹，該集群包括13 家晶片工廠和3 個研究設施，將橫跨京畿道的幾個城市。

和台積電一樣，拿到了美國補助的三星，也將在大洋彼岸生產2nm晶片。報道披露，三星將在德克薩斯州泰勒市建造一座新工廠，該工廠將從2026 年開始生產尖端的2nm 晶片。

英特爾，信心滿滿

在先進製程上落後了很多年的英特爾在2nm上面則是信心滿滿。

Intel CEO Pat Gelsinger在去年年底接受採訪時表示，自家的18A製程（1.8nm）比領先台積電N2，在這塊他們2年內沒有對手。英特爾高級副總裁Sanjay Natarajan更是透露，該公司將透過20A 工藝“引領小型化”，該工藝將於今年投入生產。

相關通報表示，該節點可望徹底改變IFS 的產品組合和半導體產業。 20A 節點預計將採用全新的RibbonFET 電晶體，取代現有的FinFET 架構。同時，該節點也將提供新的互連創新，即PowerVia。

在五月的財報電話會議上Pat Gelsinger重申，該公司的第一代全柵極(GAA) RibbonFET 工藝，即intel 20A，預計在今年推出。後續產品是intel 18A，他說，英特爾18A 將於2025 年上半年投入生產，產品也將在不久後上市。

作為英特爾五年四代工藝的最後一個節點，英特爾18A 工藝是該公司的分水嶺，人們對其寄予厚望。英特爾表示，這將使其多年來首次在性能上超越競爭對手，標誌著英特爾重返半導體工程的頂峰。

具體到技術方面，根據IEEE報告說，英特爾今年推出的20A 製程（先於18A 製程）為晶片製造業帶來了主要特色之一，那就是背面供電。英特爾也將成為第一家在商用晶片中引入背面供電的晶片製造商。根據英特爾去年夏天發布的數據顯示，光是背面供電一項就將性能提升了6%。

英特爾18A 製程技術的背面供電網路技術與英特爾20A 晶片中的技術基本相同。然而，該技術在Clearwater Forest 中得到了更大的利用。即將推出的CPU 在基片內包含所謂的「片上電壓調節器」（on-die voltage regulator）。電壓調節器靠近其驅動的邏輯意味著邏輯可以運行得更快。距離越短，調節器就能更快回應電流需求的變化，同時消耗更少的電力。

由於邏輯晶片採用背面供電，電壓調節器和邏輯晶片之間的連接電阻要低得多。同時，電源通孔技​​術以及Foveros 堆疊為英特爾提供了非常有效的連接方式。

除了背面電源之外，這家晶片製造商還利用英特爾20A 製程轉向了另一種電晶體架構：RibbonFET。 RibbonFET 是一種奈米片或全柵電晶體，它取代了FinFET（自2011 年以來一直是CMOS 的主力電晶體）。借助英特爾18A，Clearwater Forest 的邏輯晶片將採用第二代RibbonFET 製程製造。根據英特爾介紹，雖然這些裝置本身與英特爾20A 中推出的裝置沒有太大區別，但裝置的設計彈性更高。

這種靈活性意味著標準單元（設計人員可用於建構系統的基本邏輯塊）可以包含具有不同屬性的電晶體。這使得英特爾能夠開發一個“增強庫”，其中包含比英特爾20A 製程更小、性能更好或更有效率的標準單元。

據悉，英特爾的客戶已表示支持英特爾的系統代工服務，微軟董事長兼執行長薩蒂亞·納德拉在Intel Foundry Direct Connect大會上宣布，微軟計劃採用英特爾18A製程製造由英特爾設計的晶片。

在英特爾的規劃中， 還有一個與其他兩個競爭對手不同的點，那就是他們率先採用ASML最新的High NA EUV光刻機。英特爾代也表示，公司已收到並組裝了業界首台高數值孔徑(High NA) 極紫外線(EUV) 微影系統。新工具能夠大幅提高下一代處理器的解析度和功能擴展能力，使英特爾代工廠能夠在英特爾18A 之後繼續保持製程領先地位。

英特爾認為，高數值孔徑EUV 是ASML 與英特爾數十年合作後開發的下一代微影系統。作為高數值孔徑EUV 的先驅，英特爾代工廠將能夠在晶片製造中提供前所未有的精度和可擴展性。這反過來將使英特爾能夠開發具有最具創新特性和能力的晶片。

據透露，此台由ASML供應的TWINSCAN EXE:5000 High-NA EUV微影設備，將開始進行多項校準步驟，預計於2027年啟用、率先用於Intel 14A過程。

1nm，提前開打

如文章開頭所說，除了上述三家晶圓廠以外，日本Rapidus也正在成為2nm製程的新興力量。今年年初他們表示，公司位於北海道千歲市的2 nm晶片工廠興建工程順利，試產產線將按計畫在2025 年4 月啟用，且有信心一步一步實現2027年量產的目標。

他們同時透露，公司有意研發1nm製程。這個未來的製程當然也成為了三大晶圓廠的新目標。

根據Business Korea報道，三星將在六月將公佈其最新的技術路線圖，據報道，其1nm 量產計劃從2027 年提前到2026 年。據稱，三星的SF1.4製程將與台積電的1.4nm製程競爭，原本計劃於2027年開始量產。現在，該公司似乎做出了更新，並將計劃提前了。

至於台積電方面，則計畫在2027年達到A14節點，並在2030年達到A10節點，即1nm製程晶片。屆時，採用台積電3D封裝技術的晶片電晶體數量將超過1兆個，而採用傳統封裝技術的晶片電晶體數量將超過2,000億個。

根據Intel 最新的路線圖，Intel 14A 提前至2026 年，並於2027 年增加新製程，即1 奈米（Intel 10A）。不過，英特爾並未透露10A 節點任何細節，但至少有雙位數的功耗與效能改進。英特爾CEOPat Gelsinger 曾表示，新製程改善臨界值約14%~15%，因此10A 與14A 可能也會有這樣改進。

另根據英特爾藍圖，Intel 14A 也於2027 年優化，故10A 似乎介於14A 和14A-E 之間。

但是，根據Volksstimme 報道，英特爾位於德國馬格德堡附近的Fab 29 module 1 和module 2 的建設因歐盟補貼審批待定以及需要移除黑土以在其他地點重新使用而被推遲，新的時間表將開工時間延至2025 年5 月。如果英特爾能夠快速完成建造和工具安裝，該工廠仍可能在2027 年底至2028 年初按時投產。但這對公司來說仍可能是個問題。

最初，建設計劃於2023 年上半年開始，但由於補貼延遲，建設被推遲到2024 年夏天。現在又進一步推遲了。

按照規劃，英特爾的Fab 29.1 和Fab 29.2 計劃於2027 年底開始運營，這意味著它們將採用非常特殊的製造工藝，例如英特爾的14A（1.4 奈米）和10A（1 奈米）製程節點。這些製造技術旨在用於製造英特爾路線圖中非常特殊的產品。

Fab 29.1 和Fab 29.2 旨在生產計劃於2028 年下半年推出的客戶端PC 產品，所以儘管英特爾有時間提高產能，即使該工廠在2028 年中期準備就緒，但時間安排將會非常緊張。然而，該報告描繪了一幅更可怕的圖景，因為它稱英特爾現在估計“建造這兩家工廠需要四到五年時間”，“因此將於2029 年至2030 年開始生產”

這也許會為英特爾的崛起帶來新的障礙。但考慮到他們在美國大本營和愛爾蘭以及以色列的多地佈局，也許狀況並沒有想像中那麼差。