全球首家！台积电官方宣布：正式启动2nm工艺研发

7nm，5nm，3nm，现在终于开始进入2nm了！

几十年来，半导体行业进步的背后存在着一条金科玉律，即摩尔定律。摩尔定律表明：每隔 18~24 个月，集成电路上可容纳的元器件数目便会增加一倍，芯片的性能也会随之翻一番。

然而，在摩尔定律放缓甚至失效的今天，全球几大半导体公司依旧在拼命“厮杀”，希望率先拿下制造工艺布局的制高点。英特尔终于进入 10nm 工艺时代并将在后年转入 7nm，台积电、三星则纷纷完成了 7nm 工艺的布局并奔向 5nm、3nm。

而就在近日，台积电官方宣布：正式启动2nm工艺的研发！

据官方宣布，工厂将落脚在中国台湾新竹的南方科技园，预计研发工作将于2024年完成并投入生产。

从2018年末到2019年，随着7nm制程工艺逐渐进入消费领域，台积电和三星都已经谈到了他们对5nm和3nm工艺节点的计划。

而根据近期的消息，台积电有了更多的运作计划，将工艺推进到3nm，甚至2nm！台积电也是全球第一个宣布开始研发2nm工艺的厂商。

台积电厂务处处长庄子寿表示：

台积电在台湾的第一家3nm工厂将于2021年投产，并将于2022年实现大规模生产。

与此同时，为了对抗三星的竞争，台积电正在推进2nm制程的研发和生产计划。

而就在几天前，台积电在台湾新竹的3纳米研发厂房顺利通过环评，预计可顺利赶上量产时程。台积电也透露预计把五年后的 2 奈米厂研发及量产都放在新竹，选址部分原因是为避免人才流失，目前台积电在新竹有约7000名半导体制程研发人才。

按照台积电给出的指标显示，2nm工艺是一个重要节点，Metal Track（金属单元高度）和3nm一样维持在5x，同时Gate Pitch（晶体管栅极间距）缩小到30nm，Metal Pitch（金属间距）缩小到20nm，相比于3nm都小了23%。

台积电没有透露2nm工艺所需要的技术和材料，看晶体管结构示意图和目前并没有明显变化，能在硅半导体工艺上继续压榨到如此地步真是堪称奇迹，接下来就看能不能做到1nm了。

当然，在那之前，台积电还要接连经历7nm、6nm、5nm、3nm等多个工艺节点。

其中，7nm+ 首次引入 EUV 极紫外光刻技术，目前已经投入量产；6nm 只是 7nm 的一个升级版，明年第一季度试产；5nm 全面导入极紫外光刻，已经开始风险性试产，明年底之前量产，苹果 A14、AMD 五代锐龙 (Zen 4 都有望采纳)；3nm 有望在 2021 年试产、2022 年量产。

接下来，对不同芯片生产商的制造技术进行了一个排名，如下表所示，可以较为便捷地了解哪种工艺更为先进。表中密度以MTr/mm2计算，其代表每平方毫米数百万个晶体管。截至2019年1月，英特尔的10nm技术依然领先于台积电和三星的7nm技术。

来源：根据公开数量整理

有一点需要注意，上述数字在某些情况下是近似的。但是，这不会影响排名。如果更深入地研究这个问题，英特尔的10nm比台积电7nm的SRAM稍微密集一些。但台积电的7nm实际上比英特尔的逻辑单元更密集，这使事情变得更加复杂，却很有意思。

由于英特尔的10nm还没有大规模生产，台积电的7nm是目前市场上明显的赢家。

接下来，对比看看TSMC、GlobalFoundries、三星和英特尔等不同制造商的不同工艺节点都有什么特点。

台积电

台积电是目前世界上最大的独立半导体代工制造商。台积电与世界上一些最大的芯片设计商合作，如Nvidia，AMD，高通，苹果，华为和联发科。截至2019年1月，台积电凭借其7nm制造工艺引领新一代的高端技术竞争，该工艺已经开始批量生产，iPhone XS和华为Mate 20 Pro等顶级手机品牌都采用了这一技术。

7nm

首先，让我们看看最近一年来炒作最火热的台积电7nm工艺。TSMC的7nm工艺实际上有多种变体，7nm FF/FF+（FinFET和FinFET+）的晶体管密度约为96.49 MTr/mm?，7nm HPC的晶体管密度为66.7 MTr/mm?。

7nm FinFET工艺是TSMC自身10nm工艺密度的1.6倍。此外，与10nm技术相比，7nm工艺可使性能提高20％，功耗降低40％。

目前该技术主要用于：A12 Bionic（iPhone XS Max），Snapdragon 855，Kirin 980，Zen 2（Ryzen 3000 Series）。

10nm

台积电的10nm节点工艺的密度为60.3 MTr/mm?，是自身12nm/16nm节点密度的2倍多，速度提高了15％，功耗降低了35％。

目前该技术主要用于：Apple A11 Bionic，Kirin 970，Helio X3。

12nm/16nm

与20nm工艺相比，台积电16nm的速度提高近50％，功耗降低60％，其密度为28.2 MTr/mm2。

台积电的12nm技术或多或少是一种营销噱头，类似于他们的16nm节点。这个12nm节点只是它们重新命名的16nm工艺，具有更好的栅极密度和较少的优化。12nm工艺的估计密度约为33.8 MTr/mm?。台积电的12nm和16nm工艺为麒麟、联发科处理器和Nvidia的GeForce 10系列等提供代工服务。

主要用于：Nvidia图灵GPU（GeForce 20系列），麒麟960，麒麟659，麒麟710，Helio P60，Helio P70，Apple A10 Fusion处理器。

英特尔

英特尔是全球第二大芯片制造商。曾几何时，英特尔在半导体市场处于绝对的领先地位，但其10nm工艺的一再延迟使其在高端技术上已经相当落后。

7nm

2018年12月，英特尔宣布他们正在开发7nm工艺，并且正在按计划进行。英特尔7nm工艺将使用EUVL（极紫外光刻）制造，预计晶体管密度将达到242 MTr /mm?，是10nm工艺 的2.4倍。

现状：正在进行中。

10nm

英特尔的10nm工艺最初预计将于2016年首次推出，但截至2018年底，它已被推迟3次！

英特尔10nm工艺密度约为100 MTr /mm?，是14nm工艺的2.7倍。从这一点看，英特尔的10nm相当于其他公司所标榜的7nm技术。

现状：英特尔正在努力提高良率，可能在2019年末进入批量生产。

用于：Core i3-8121U处理器。

14nm

英特尔的14nm工艺晶体管密度估计为43.5 MTr/mm?。截至目前，从Broadwell到Coffee Lake，都拥有相同的14nm技术，已用于其5代处理器之中。然而，这款14nm技术仍然优于台积电的16nm/12nm和三星的14nm技术。

英特尔还推出了14nm+和14nm++，只是进行了微小的改进。

主要用于：英特尔的第5代，第6代，第7代，第8代和第9代移动和桌面处理器。

由于10nm节点的延迟，英特尔简单地改进了他们的14nm节点，在性能和功耗方面略有改进，并将它们命名为14nm +和14nm ++。这些只是微小的改进，并没有进行晶体管密度微缩。

三星

2017年7月，三星取代英特尔成为全球最大的芯片制造商。对于几乎相同的工艺节点，三星芯片的晶体管密度与TSMC相当。三星为高通、苹果、Nvidia和许多其他厂商生产芯片，并且还将其14nm工艺许可给GlobalFoundries。

7nm

三星在2018年下半年在世界上首次采用EUV技术生产了7nm芯片，工艺密度为95.3 MTr/mm?。相比10nm技术，性能提高了20％，同时功耗降低了50％。

现状：已进入批量生产。

8nm

三星的8nm工艺也称为8nm LPU（Low Power Ultimate），它只是其10nm工艺的延伸。就晶体管密度而言，它与台积电的7nm HPC工艺非常相似，其密度为61.18 MTr/mm?。该技术用于制造Exynos 9820芯片，将在2019年即将推出的Galaxy S10和Galaxy Note 10中使用。

用于：Exynos 9820处理器。

10nm

三星10nm工艺有两种变体，10nm LPE（Low Power Early）和10nm LPP（Low Power Plus）。其第二代工艺（10nm LPP）性能提高了10％，密度为51.82 MTr /mm?，是14nm工艺密度的1.6倍。

适用于：Snapdragon 835，Snapdragon 845，Exynos 9810，Exynos 8895，Exynos 961。

11nm

与14nm LPP（Low Power Plus）工艺相比，11nm LPP（Low Power Plus）工艺可提供高出15％的性能。但是，功耗保持不变，这个过程更像是对14nm工艺的扩展。

用于：Snapdragon 675。

14nm

三星的14nm工艺是其最广泛使用的制造节点之一，该工艺的晶体管密度为32.5 MTr /mm?，主要用于Nvidia的GeForce 10系列，以及许多Qualcomm和Exynos芯片。它有多种变体，14nm LPE（Low Power Early）和14nm LPP（Low Power Plus）。

用于：Nvidia GeForce 10系列，Snapdragon 820，Snapdragon 821，Exynos 8890，Exynos 7870。

GlobalFoundries

GlobalFoundries（格罗方德，格芯）是一家美国半导体公司，为高通、AMD和Broadcom等各种品牌制造处理器。

7nm

此前，得益于三星背后的支持，GlobalFoundries的7nm走在前列，而且2018年3月还邀请少数资深记者前往旗下最先进的纽约Malta的Fab 8工厂，介绍他们计划向7nm EUV光刻技术推进。然而，计划赶不上变化。18年8月宣布，出于经济因素考虑，搁置7nm LP项目，将资源回归到12nm/14nm FinFET以及12FDX/22FDX上。

尽管曾有许多业内专家估计它的7nm技术比台积电的7nm还要更加密集，但GlobalFoundries目前已经停止了他们的7nm开发，已经不会再与台积电竞争。按照AnandTech的报道，GF的5nm和3nm研发也将终止，已经逐步停掉与IBM硅研发中心在这方面的合作。

12nm

GlobalFoundries 12nm工艺的性能比其前代产品提高了15％，密度提高了10％。Ryzen 2000系列便基于其12nm节点技术。当前，GF的12nm/14nm多用在AMD的锐龙处理器（Ryzen 2000 Series）、Radeon GPU上，12FDX/22FDX则可以提供优质的性价，可用于集成模拟和射频组件上，如5G基带。

用于：Zen +架构产品（Ryzen 2000 Series）。

14nm

GlobalFoundries实际上从三星那里获得了14nm技术。

用于：AMD Vega系列，Ryzen第二代APU，Radeon 500系列。

目前，GlobalFoundries已经停止一切与7nm工艺有关的投资研发，转而专注现有的14/12nm FinFET工艺和22/12nm FD-SOI工艺，提供包括射频、嵌入式存储器和低功耗等一系列创新IP及功能，并调整相应研发团队来支持新的产品组合方案，这一选择可能和最近几年窘迫的财务状况有关。

中芯国际

据最近报道，中芯国际在14nm FinFET技术开发上已经获得重大进展，良率已高达95％，其第一代FinFET技术研发已进入客户导入阶段，并且将在今年上半年投入大规模量产。

同时，12nm的工艺开发也取得突破。中芯国际的14nm/12nm进展，对于中国集成电路产业来说是一个极大利好，但是与全球的先进技术相比，中国还比较落后，还需要整个产业共同努力，以便早日在世界高端芯片制造领域占据一席之地。

参考链接：

wccftech：https://wccftech.com/tsmc-2nm-research-taiwan/

eetimes：https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1333109&page_number=2

tweaktown：https://www.tweaktown.com/news/66264/tsmc-announces-work-begun-next-gen-2nm-node/index.html

来源：新智元