隨著人工智能(AI)、物聯網、5G、電動車等技術的發展,科技產業對晶片性能和能效要求越來越高,全球半導體行業也不斷朝向更先進工藝努力。近日,有信息顯示,全球最大的晶片代工廠台積電 (TSMC)的1納米晶片製造工藝正穩步推進中。

台灣中華民國行政院副院長沈榮津在今年11月21日證實,台積電1納米晶圓新廠將落戶在桃園龍潭。台積電已在該園區經營兩個半導體封裝和測試工廠。沈榮津表示,桃園龍潭科學園區靠近台積電的研發中心,是台積電1納米工廠最好的落腳點。

晶片產品的納米數越小,意味著晶體管密度越高,晶片耗電更少而性能越高,技術難度也越高。

在過去幾十年裏,晶片製造商一直試圖將越來越多的晶體管塞到越來越小的表面上,但目前已經達到了半導體矽材料的物理極限。因此,科學家們正嘗試尋找其它合適的材料來代替矽,以實現技術突破,將晶片生產工藝推向1納米甚至更小的製程。

去年5月份,由台積電、美國麻省理工學院(MIT)、國立台灣大學(NTU)的研究人員聯合發表在《自然》雜誌上的報告顯示,半金屬鉍 (Bi) 與二維半導體材料相結合可以實現極低電阻並增加電流傳導,從而大幅提高晶片的能效,有助於1納米半導體的開發。

該技術最先由麻省理工學院的研究團隊發現,之後台積電研發部對鉍 (Bi) 的沉積工藝進行了優化;隨後國立台灣大學電氣工程與光學系採用氦離子束光刻技術,成功將器件的溝道寬度縮小至納米級,終於實現了突破。相關技術被台積電用於1納米晶片工藝的開發。

當時台積電表示,1納米節點技術仍處於探索性研發階段。不過,目前台積電的1納米晶片生產設施已進入規劃中。

目前,台積電已經掌握量產3納米晶片的工藝。除了台灣本島工廠之外,台積電創始人張忠謀在今年11月21日透露,台積電計劃在美國亞利桑那州的工廠二期工程中實現3納米生產工藝。不過,他也表示,該計畫尚未完全確定。蘋果公司已計劃未來大量從該廠獲取晶片。

IBM的2納米晶片

美國科技巨頭IBM公司去年5月宣布在半導體設計和工藝方面取得突破,開發出了首款2納米製程的晶片。

IBM公司的這款2納米晶片由該公司位於紐約州的奧爾巴尼納米技術中心(IBM Research Albany)與公共和私營部門聯合開發,晶片尺寸只有指甲蓋大小,但是上面卻容納有500億個晶體管。

IBM表示,與當今最先進的7納米晶片相比,其2納米的晶片性能提高了45%,能耗則降低了75%。

IBM公司雖然研發出了2納米技術,不過該公司在2014年將晶圓廠賣給了格羅方德,因此該公司還需要與其它代工廠合作生產。

三星宣布2納米製程開發計劃

台積電的競爭對手韓國三星公司也在近日宣布了其衝擊最先進製程的研發計劃。

作為全球第二大半導體晶片製造公司,三星公司在今年10月份的三星代工論壇活動期間宣布了其2nm和1.4nm的晶片製造計劃。

今年6月份,三星晶圓代工廠開始量產全球首款採用GAA技術(Gate All Around)的3nm晶片(SF3E)。三星計劃在2024年推出第二代3nm半導體晶片(SF3),其晶體管比第一代3nm晶片的晶體管小20%,可為智能手機、個人電腦、雲服務器等設備帶來更小、更節能的晶片。

在三星發布的2019-2027年代工路線圖中,三星代工計劃在2025年量產2nm晶片,2027年量產1.4nm晶片。

英特爾千億投資打造最先進基地

另一家美國科技巨頭Intel公司,是全球三家最先進的半導體製造商之一。

英特爾20A(2納米)生產節點計劃在2024年為量產做好準備。

英特爾在今年初宣布在俄亥俄州投資200億美元、建造兩家處理器工廠的計劃;未來十年內總投資將增至1,000億美元,英特爾要將該園區打造成世界上最先進的半導體製造基地。

另外,Intel還計劃在未來十年內與俄亥俄大學、社區學院和美國國家科學基金會合作投資約1億美元,資助半導體研究項目,以及在學院設立相關課程,推動先進技術的開發並培養半導體人才。

歐洲、日本企業落後但在追趕中

雖然擁有艾司摩爾這樣領先的半導體設備公司,但歐洲在晶圓製造尤其是先進工藝方面的實力上並不強。

不過,歐盟委員會在2021年3月發布了《2030數字指南》,提出了未來的目標:到2030年歐洲先進和可持續半導體的生產總值至少要佔全球生產總值的20%,生產能力要衝刺到2納米工藝。

今年2月以來,歐洲支持晶片製造業的政策吸引來了不少投資承諾。

德國和法國各自承諾投資數十億美元建造一座「巨型晶圓廠」。今年3月份,Intel向德國馬格德堡市新的微晶片製造基地投資680億歐元(714億美元);今年7月份,格羅方德和意法半導體(STMicro)的美國-法國-意大利財團表示將聯手在法國阿爾卑斯山建造價值57億歐元的半導體工廠。

日本在上世紀90年代初曾佔到全球市場近一半的份額。但是到2017年,這一比例已經降至7%。目前,日本只在半導體材料領域佔有較重要的份額。

今年11月11日,日本經濟產業省(METI)在官網上發布了一份文件,其中透露了日方將與美國IBM公司合作開發2納米晶片製造技術的計劃,日本還計劃在今年進口極紫外光刻機。

日本官方表示,將向一家由多個日本科技公司參與投資的新半導體公司投資700億日元(5 億美元),以便重新確立日本作為先進晶片領先製造商的地位。

參與公司包括索尼集團公司(Sony Group Corp)和日本電氣公司(NEC Corp)、日本電報電話公司(Nippon Telegraph and Telephone Corp)、內存晶片製造商鎧俠控股(Kioxia Holdings,)、軟銀公司(Softbank Corp)、電裝(Denso)、豐田汽車公司(Toyota Motor Corp)和三菱日聯金融集團(Mitsubishi UFJ Financial Group)。

此外,日美兩國在今年7月同意建立一個新的聯合研究中心,以開發速度更快、能效更高的下一代2納米以下製程的半導體。日本政府計劃在 2022 年底前建立該中心。

中企被拉開的距離將越來越大

在國際半導體企業競相開發最先進半導體工藝的同時,代表中國最先進晶片製造水平的中芯國際和長江存儲,卻在美國的半導體管制令下,未來研發將面臨先進設備進口難題。

美國最新的管制令規定,14/16納米以下的邏輯晶片、18納米以下DRAM內存晶片及128層以上的NAND閃存晶片,以及其相關製造設備如果向中國出口,都必須向美國商務部申請許可證。

由於美國企業主導半導體設備的市場,且該類設備難以用其它國家企業產品替代。中國半導體企業在最先進製程開發上與第一梯隊的差距或進一步擴大。@

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