實現2nm工藝突破，臺積電為何能給“摩爾定律”續命？

　　今年，因為美國對華為、中芯國際的禁令的關系，臺積電這家原本處在芯片產業的后端的芯片制造企業，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，但是空出來的產能立刻被蘋果、高通等公司瓜分，并處在滿載生產狀態。疊加疫情下電子消費產品增長等因素，臺積電將在今年迎來超過全球晶圓代工廠的產業成長率高出10%的增長。

　　特別是臺積電領先其他晶圓代工廠的5nm\7nm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和設備投入上更加不遺余力。

　　為應對新制程工藝產能擴大的需求，臺積電已經向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為造芯“爆肝”的工程師們。

　　在一片繁榮的商業前景之下，臺積電在更先進制程的技術布局上面也保持著領先。據臺灣媒體報道，近日臺積電在2nm工藝制程上取得了重大突破，研發進度超越預期，有望在2023年下半年，風險試產的良率可以達到90%。

　　相比較于關注熱鬧的當下，我們不妨追蹤這條技術線索，來看下臺積電保持先進制程工藝的經驗，看下它是如何來為游走在失效邊緣的摩爾定律來“續命”的。

　　2nm已突破，1nm也沒問題

　　我們先從技術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。區別于3nm和5nm制程所采用的鰭式場效晶體管(FinFET)架構，這次2nm改用了全新的多橋通道場效晶體管(MBCFET)架構，這一架構是以環繞閘極(GAA)制程為基礎的架構，可以解決FinFETch因為制程微縮而產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，相當于又給摩爾定律續命了五年左右。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生的定理，而只是一個預測，這個預測是建立在半導體制程工藝能夠穩步提升的情況下，但現在半導體產業依賴FinFET架構，已經實現了7nm和5nm制程的芯片量產，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，FinFET本身的尺寸已經縮小至極限后，無論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得難以完成。

　　現在，依托FinFET技術，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。根據報道，GAA技術是2006年由科學技術研究院和國家納米晶圓中心開發的一種基于全能門FinFET技術的晶體管，而三星正率先在3nm工藝上采用了基于GAA技術開發的MBCFET架構形態。出于穩健考慮，臺積電則選擇在第一代3nm工藝將繼續用FinFET技術，而2nm工藝上采用了三星一樣的MBCFET架構。

　　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%，相應的，新制程的研發成本將高達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。

　　現在，臺積電依靠在EUV微顯影技術和納米片堆疊關鍵技術上的積累，使得2nm制程的開發良率提升進度超出預期。

　　根據臺積電在最近召開的“2020世界半導體大會”的官方說法，芯片制程工藝將繼續推進，摩爾定律將在3nm、2nm、1nm上繼續適用。根據目前透露的消息，2nm芯片的生產布局，將在臺灣新竹進行建設和研發。

　　多管齊下，為領先制程布下完整技術圖譜

　　從上面的技術介紹來看，臺積電的2nm工藝采取的GAA制程架構，盡管并非自己研發，其在3nm制程上，還沒有三星激進地采用MBCFET架構，但想要發揮GAA架構優勢，就必須要看到臺積電在保持工藝領先性和生產良率上的技術優勢和積累。

　　比如，以3nm工藝為例，臺積電繼續采用FinFET架構晶體管設計，一方面正是由于其研發團隊將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，這樣能讓下單客戶實現技術的快速升級，率先推出領先的產品。

　　從臺積電的技術布局上，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先的技術研發優勢。比如，為配合新制程工藝的良率，臺積電在Nano-Sheet結構上面，已經成功生產出了32 Mb nano-sheet的SRAM，在低電壓功耗上面具有明顯優勢;在2D材料上，臺積電基于包括硫化鉬和硫化鎢在內的的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合作產業鏈。ASML作為早期和臺積電建立合作的光刻機供應商，在為臺積電提供設備的同時，也得到來自臺積電的技術反饋。目前，臺積電在在EUV光刻技術的OPC、光罩和光阻等多個方面都有投入，比如臺積電在EUV技術結合上，采用自對準墊片獲得了業內最小的18nm的mental pitch，對晶體管微縮大有幫助。

　　再就是對工藝流程的優化改造。為了應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，來提升芯片性能。比如在芯片制造前段實現的SOIC 3D堆疊技術，在后段實現的CoWoS和InFo的3D封裝技術。這些技術在幫助實現晶體管微縮的同時，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方面的廣泛產線投入。同時，也在邏輯IC技術基礎上，加上先進的ULL&SRAM、RF&Analog以及eNVM技術，以實現低功耗以及模擬技術的提升。特殊制程將推出IoT場景和AI場景設備的發展。

　　以上的一系列技術優勢，得益于臺積電龐大的研發投入。據數據，近幾年，臺積電每年的研發投入都達到100億美元。而臺積電在技術路線上的領先布局和長期巨額的研發投入，實際上跟其所創立的Foundry代工廠創新模式有關，也和臺積電本身的所處的地緣、產業機遇期有關。

　　專注投入和自主研發：臺積電的技術領先心法

　　我們看到，臺積電在3nm工藝的架構路線穩健推進和領先量產，以及在2nm工藝上的架構路線升級和順利推進，都源于其在整個半導體晶圓制造上的長期研發投入和技術積累。

　　而這給了我們一種錯覺，似乎完成這些動作就可以實現對半導體產業的主導，能又一次延續摩爾定律的神話。但實際上，這既有臺積電創立之初所建立的獨特創新模式，也與臺積電在幾次關鍵技術路口的正確選擇有關。

　　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中走對路、押對注，才能有幸活下來。

　　臺積電能夠取得領先工藝制程的根本原因在于，其率先創立的專門專注于芯片制造的代工廠(Foundry)模式。80年代末，臺積電創立之初，原本是未來抓住美國“拆解”了日本半導體產業后的產業轉移的機會，但如果采用原有設計、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。

　　臺積電創始人張忠謀另辟蹊徑地拆解出“后端制造”這一個環節，開始了代工廠模式。這一行業垂直化分工帶動了一批芯片設計公司的出現，也為臺積電的專注制造工藝的發展提供了生存機會。從創立之初，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的指導。后面，基于Foundry模式的中立屬性，臺積電獲得了蘋果、高通、AMD這些有著競爭關系的客戶的長期訂單。臺積電的模式從而使得整個產業鏈能夠專注發揮自身的優勢，而臺積電則把全部資源重點投入到先進制程工藝和生產工藝的改進升級上面。

　　不過，臺積電的發展并非一帆風順，而是在幾個關鍵技術關口的堅持自主研發和正確押注，才使其沒有在半導體的淘汰賽中落敗。

　　第一次關鍵抉擇是2003年，臺積電拒絕了IBM新開發的銅制程工藝，用自研的技術來打破了IBM的技術鉗制。第二次是2004年，臺積電準備推動自己研制的“濕法光刻技術”，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，實現了對光刻技術的顛覆式突破，從此也和ASML結下了革命的友誼。2004年，臺積電就拿下了全球一半的芯片代工訂單，位列半導體行業規模前十。

　　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務衰退的雙重危機。此時重新回歸的張忠謀力挽狂瀾，召回已經退休的蔣尚義，開始了擴員、擴研發的大舉反擊。當時在28納米制程的關鍵技術上，臺積電選擇了后閘級方案，而非三星正在研發的前閘級方案，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，贏得了發展良機。

　　而此后，臺積電在人才、客戶、專利、技術路線上與三星展開激烈交鋒，一直持續至今。但臺積電在7nm工藝上取得領先之后，其領先優勢一直保持至今。而雙方的下一個戰場，將在3nm工藝上展開。

　　從這些關鍵因素和眾多的關鍵環節上，我們可以總結出臺積電能夠取得先進工藝的技術領先的核心要點：

　　1、臺積電開創的Foundry模式，使其能夠在半導體產業中保持“中立”立場，能夠和不同IC設計廠商進行通力合作獲得先進的設計方案，又能夠心無旁騖地將只專注到晶圓制造的各個工藝環節中，獲得了行業垂直分工的專屬優勢。

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

　　3、除了自身努力的因素，臺積電背后身處的美國半導體產業所主導的分工格局，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升級的最終驅動力。

　　臺積電的技術領先，從現實競爭上，對我國的半導體產業來說，仍然是一場嚴峻的挑戰。受到美國長臂管轄鉗制的臺積電，短期內難以在為華為海思這樣的先進IC設計企業生產芯片，同時也成為我國的芯片制造代工企業短期內難以企及的競爭對手。

　　不過，臺積電的技術領先的經驗，從產業共性上來說，仍然值得國內的廠商學習。在全球半導體產業合作風險充滿變數的當下，練好內功，專注核心工藝技術的研發，將是在逆境中前行的不二心法。