关于台积电2nm，我们来谈谈

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　　在十年之前，谈2纳米（nm）制程芯片的量产，那简直就像天方夜谭，几乎是难以想像的生产技术。但如今，台积电已经正式宣布了量产时程，这个原本市场以为不可能的芯片制程技术，将会在2025年正式量产。
　　而台积2nm技术的宣布有什么重要性？它又会带出哪些半导体制造技术的风向球？本文就从技术演进，以及竞争与成本的角度来切入分析。
　　FinFET微缩之路划上休止符
　　台积电的2nm技术的宣布，单就技术上来说，就是正式宣告鳍式场效晶体管（FinFET）的微缩之路的终结。这个堪称是近十年以来，台积电最具竞争力的芯片制程技术，最终都须止步于3nm。
　　毫无疑问，FinFET是个好东西，它除了让摩尔定律得以延续外，同时也让晶圆制造厂可以持续提升芯片的效能并缩小体积。它最大的特色就是采用了立体式的结构，改善了MOSFET的电路控制性能，并减少漏电流的发生，另一方面也缩短了晶体管的闸长。
　　图一：台积在2013年11月宣布成功试产FinFET，采用16nm生产制程。（source：TSMC）
　　台积是在2013年11月宣布成功试产FinFET，而当时所采用的生产制程是16nm；英特尔则是更早于台积，是在2011年就已经推出了商业化的22纳米FinFET制程技术。
　　至于三星，则是在14nm制程才采用了FinFET架构，不过当时他们是处于追赶的位置，还因此跳过了20nm制程，直接进攻一个全新世代的技术，并且取得了相当的成果，可以说是一次成功的策略。
　　但走到现在，也就是4nm和3nm这个关口，FinFET的微缩之路终究来到了尽头。由于单片的鳍式晶体管结构在这个制程之下，其电子控制的效能会大幅度的衰减，变得十分不稳定，因此难以作为先进运算的核心技术，自然也无法延续摩尔定律对性能提升的要求，于是采用新架构的呼声就不断在产业界与学研界里响起。
　　虽然FinFET制程到了5nm以下就变成了一个关卡，但台积依然透过他们强大的芯片制造能力，硬是让FinFET走到了3nm。而三星则是选择在此节点转向次世代制程。这除了显示台积超越业界的制造能力外，更凸显了台积对于获利与成本控制的高度重视。
　　三星抢推GAAFET制程企图弯道超车
　　洞悉到FinFET的极限之后，晶圆制造业者们当然就开始着手进行相关的研究布局，以因应未来的先进制程服务之争。但说白了，现在市场上也就只剩下三星和台积两家公司有能力进行实际的量产，所以目前若要寻求3nm以下的芯片制造服务，就是一个非T及S的局。谁先端出，谁就赢了，至少表面上是这样子。
　　也由于现在这两强之争的局面，让落后的三星不得不采行较为激烈的弯道超车策略，企图在3nm这个制程世代上，就开始导入新的晶体管架构技术，并期望借此追上，甚至是超越台积电。
　　而三星他们选择的制程称为GAAFETGateAllaroundFieldEffectTransistor。
　　依据三星的说明，它们的GAAFET是一种采用自行研发通道较宽的纳米片结构，也就是自有的MBCFET（MultiBridgeChannelFET）技术。相较于较窄的纳米线GAA技术架构，这种宽型的结构可以带来更高的效能与更佳的能源效率。
　　图二：三星GAAFET制程技术的示意图。
　　（source：三星）
　　此外，三星也指出，相较于5nm制程，他们第一代3nm制程能降低45功耗、提升23效能、缩减16面积；第二代3nm制程则可降低50功耗、提升30效能，并缩减35面积，可全面优化芯片PPA指标。
　　但三星这个技术的宣布，最重要的还是宣传的目的，因为三星所有的盘算就是要抢先台积之前，让市场知道，他们的GAAFET已经开始正式量产，而且是全球第一家的3nm芯片制造商。
　　不过其实是不是3nm并不这么重要，最值得关心的，是三星开始导入了新的晶体管制程技术。但到目前为止，他们良率与客户都属于未知的状态，成本与获利更是仍待观察。
　　台积以王者之姿稳稳跨进纳米片世代
　　尽管三星没有特别强调，但我们从其所提供技术示意图来看，就可以得知他们的GAAFET技术就是一种纳米片（Nanosheet）架构，而这跟台积所发表的N2技术，其实都是属于同一种技术类型。换句话说，未来市场上2nm以下的制程芯片，都会是使用纳米片架构的晶体管。
　　相较于三星采用大动作追击的策略，台积对于导入纳米片架构制程就显得保守且小心，或者说是一种不疾不徐的态度。我们回顾台积选择进入FinFET制程的时间点来看，就可以端倪出这家公司的决策文化。
　　一来，他们已是市场的领先者，稳健拓展业务远比大胆推进技术更为重要；再者，台积一向看重生产良率和高获利率，不稳定、不够成熟的制程，他们定不敢，也不会贸然进行量产。
　　就因为这立场与策略的差异，因此台积选择进入纳米片架构的时间点，也就晚了三星一个世代。而这个一世代的差异，除了让台积在3nm制程上有更好的成本优势外，也为他们的2nm制程取得了更多的研发和试产的时间。
　　依据台积自己公布的资料，相对于N3，新一代的N2技术在相同功耗下，速度提升了1015；在相同速度下，则功耗降低2530。而在应用领域方面，N2将会推出针对行动运算的基本版本，另也会推出高效能版本和小芯片整合的解决方案，预计在2025年开始量产。
　　不过这里就有一点性能上的差异，因为三星的3nmGAAFET是对比5nmFineFET，而台积N2则是对比N3，所以单就各自帐面上的性能提升来看，纳米片架构的的确确是能够突破FinFET的极限。若是比较双方的数据差异，则台积拥有微缩制程上优势，其2nm具有较好的功耗表现。
　　不过三星的2nm制程也预计在2025量产，目前其实际的效能数据则仍未公布。
　　图三：台积与三星的纳米片结构制程比较。
　　纳米片成为产业共识但谁会需要2nm技术？
　　对于台积与三星皆选择了纳米片架构作为下一代的制程技术，其实一点都不令人意外，甚至可以说是一种必然的结果。比利时微电子研究中心（imec）就曾在一篇技术文章中指出（注1），纳米片可以视为FinFET的自然演变，它能让许多针对FinFET制程应化的模组，都能沿用至纳米片制程。也促使业界更容易接受这套新架构。
　　不过，FinFET与纳米片毕竟不相同，在制程上仍有不小的差异。Imec也指出了它们的四大关键差异，且需要特别研发创新技术。
　　首先，纳米片会利用矽（Si）与矽锗（SiGe）进行多层的磊晶成长，致使传统的CMOS制程不再适用。而且整个堆叠会进行图形化，制成高深宽比的鳍片，因此确保纳米片的型态是个挑战。
　　第二个差异，是需要导入一层内衬层，也就是增加一层介电层来隔离闸极与源汲极，进而降低电容。
　　第三个差异是纳米片制程多了一个释出通道的步骤，而此过程需要高度选择性，才能把少量的锗留在纳米片之间，并降低矽材的表面粗糙度。
　　第四个差异是替代金属闸极的整合，包含在纳米片周围与彼此间的间隙内沉积金属，并进行图形化。
　　而从imec所指出的制程挑战可以看出，进入纳米片结构制程的困难其实不小，直接造成的就是制造成本将大增，同时短时间内的良率应该不会太高，真要下单投入生产，所要承担的商业风险其实不小。尤其是目前3nm制程的生产成本已经将近6亿美元，若再往下走到纳米片的2nm，则金额实在难以想像。
　　所以综合来看，届时能有足够资本实力可以下单2nm制程芯片的业者，其实已经屈指可数。目前看来如果不是苹果（Apple），就是全力追求高性能与低高耗的绘图与处理器业者，例如NVIDIA和AMD，其他的行动运算平台业者如高通或联发科等，现在都还难以推估他们届时是否具备足够的商业能力来投单。
　　当然，Google和Amazon，或者特斯拉，也有可能投单2nm芯片，因为他们的资本更加庞大，同时所需要的效能表现又更加刁钻。
　　至于中国的业者也不应该被排除在外，毕竟2025年还有一段时日，美中的冲突也存在解除的可能性。
　　结语
　　整体来说，半导体微缩制程再往下走到2nm已是即将发生的事实，而摩尔定律也还能再继续维持下去，人们也将继续感受到电子装置与科技应用不断创新的便利性，尤其是在运算与AI处理的体验上。唯一的问题，就是这超级庞大的制造成本究竟有多少人可以负担。所以可以想见的是，再往下探的微缩制程可能不再具备多少意义，先进的半导体整合与异质设计，可能才是日后芯片开发者需要关注的所在。
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