与此同时,6月初被美国总统拜登亚洲行接见后,紧接着,韩国三星电子副会长李在镕又马不停蹄奔赴欧洲,有报道指三星电子在阿斯麦获得了十多台EUV光刻机,并于本周起大规模生产3nm芯片,而2nm将于2025年量产。
“到了未来的技术节点,间距微缩将减缓,硅晶体管似乎只能安全地微缩至2nm,而在那之后,我们可能就会开始使用石墨烯。”芯片制造的核心软件EDA巨头新思科技(Synopsys)研究专家Victor Moroz的这句话道出了2nm技术的重要性:2nm是硅芯片的最后一战。
自此之后,“摩尔定律”一直驱动着集成电路和芯片产业的飞速发展。过去的50年中,芯片里的晶体管密度和芯片的性能,都呈现了指数级的增长,而使用晶体管进行计算的成本和功耗也呈现了指数级的下降。可以说,“摩尔定律”是驱动芯片半导体产业,甚至整个社会在这半个世纪里飞速前进的根本动力。
但随着芯片制程进入到5nm、3nm,很多工艺结构的设计已经开始接近于原子层面,对设计的精度、良率都有很高的要求,也使得技术的突破变得愈加困难。因此,如今的芯片微缩,则更加依赖光刻机技术以及新的架构设计的演进方法。
当前,全球具备5nm及以下制程芯片制造实力的晶圆制造企业,只有台积电和三星电子两家。而他们却正在展开一场投资超600亿美元、以纳米乃至原子厚度为目标的先进制程竞赛。
相比台积电,三星更胜一筹,决定在本周开始量产的3nm上,使用GAAFET结构,比台积电提前三年。而且,三星和IBM还分别推出了纳米片MBCFET、垂直晶体管VTFET两种结构,后者提供2倍的FinFET性能,功耗减少85%。不过MBCFET和VTFET目前没有量产迹象。
光刻机被誉为“皇冠上的明珠”,其利用特殊的光源和玻璃,将晶体管和设计好的电路图投射到硅芯片,来绘制芯片电路,其大小相当于一辆公交车,一家先进芯片工厂通常需要9~18台这样的设备。
随着芯片越来越精密,更高数值的孔径意味着更小的光线入射角度,也意味着能够用来制造尺寸更小、速度更快的芯片。如今,三星、台积电都希望通过获得下一代EUV光刻机,从而在未来2nm技术竞争上占据优势。
据ASML公布的数据,新的EXE:5000系列high-NA EUV光刻机,镜头数值孔径从0.33NA变为0.55NA,孔径大小增加了67%,有望实现8nm的分辨率。预计这种设备非常复杂、非常大且价格昂贵——每台的成本将超过4亿美元。
其中,材料方面,二维材料是目前半导体行业所关注的重点。台积电此前曾提到,台积电正在研究包括二硫化钨(WuS2)和碳纳米管等二维材料。相比于当前的硅材料,二维材料能够更有效地移动电子,并让芯片实现更节能的计算,更适用于2nm及之后的先进制程。
如今,台积电、三星两家公司都争夺光刻机,选择非常激进的技术路线制造2nm。但三星的良率、功耗技术上一直是个大问题,尤其曾出现推迟发布的情况,2nm也可能虎头蛇尾。
正如刚上任的深圳昇维旭技术首席战略官、前紫光集团高级副总裁坂本幸雄所说,在计算逻辑芯片领域,相比台积电2nm,如今14nm是七、八年前的技术。如果缺乏在三、四年后追上台积电的雄心,中国大陆半导体产业差距会不断扩大。