台积电1nm进展曝光！预计投资超万亿新台币，真有必要吗？

电子发烧友网（文/吴子鹏）根据台湾媒体的最新消息，台积电1nm制程将落脚嘉义科学园区，台积电已向相关管理局提出100公顷用地需求，其中40公顷将先设立先进封装厂，后续的60公顷将作为1nm建厂用地。

对于这一传闻，台积电表示，选择设厂地点有诸多考量因素，台积电以中国台湾地区作为主要基地，不排除任何可能性，也持续与管理局合作评估合适的半导体建厂用地。
 
产业人士预估，台积电1nm的投资可能超过万亿新台币的级别。
 

1nm的技术难度极高，可能已经是极限

1nm被很多人定义为芯片制造工艺的极限，主要原因是，1nm确实已经逼近晶体管制造的物理极限，将会衍生出很多技术难题。
 
当前，先进制程的主要工艺结构是FinFET (鳍式场效应晶体管) ，又称3D晶体管。FinFET使用Gate对Fin的包围实现等效W值的增加，可以更有效地控制沟道区域，进而更好地控制电流流动，减少漏电流，并能够有效抑制短沟道效应，提高了设备的性能和能效。
 
FinFET结构由衬底上的硅体薄（垂直）翅片组成，栅级围绕通道提供了良好的通道三面控制。从22nm芯片一直用到5nm，FinFET都是首选结构。不过，到了3nm工艺后，静态电流泄漏问题变得越来越严重——在3nm工艺里，FinFET对电流的控制能力急剧下降，同时漏电流也在升高。
 
台积电计划在2nm工艺里开始使用第三代工艺结构——GAA-FET（环绕式栅极场效晶体管），三星在3nm工艺里已经开始使用这种结构。GAA-FET通过四面环绕 Channel，实现对Channel 更强的控制，进一步减小短沟效应的影响。
 

图源：三星半导体

 
根据三星半导体的介绍，GAA结构有线型（Wire）和片型（Sheet）两种形态。Nanowire GAA 必须堆叠多层Wire以加宽总沟道宽度，这使得工艺变得更加复杂。为了解决这个问题，三星半导体没有选择线型（Wire），而是采取了宽度更宽的片型（Sheet）形态的GAA，也就是MBCFET。
 

图源：三星半导体

 
根据台媒的报道，台积电也已经正式顺利实现GAA技术2nm制程。从工艺进度来说，2nm之后并不是马上迎来1nm，而是1.4nm，现在的叫法可能是14A，之后就是1nm。台积电此前透露，该公司已经于2022年开始组建1.4nm的团队，因此现在启动1nm研发也不意外。
 
在1nm量产中，预计三星和台积电可能还会使用GAA-FET，不过可能会是GAA-FET的进一步演化版，IEDM会议上曾提到过，其中一个演化架构是Forksheet架构。英特尔则认为，可以使用堆叠式CFET场效应管架构，这也是一种GAA-FET的改进结果，属于堆叠式的GAA-FET，将n型和p型MOS元件堆叠在一起。
 
不过即便是有结构改进，1nm还是需要面临很多挑战，比如更加突出的量子隧穿现象。该现象指出，当芯片制造工艺来到1nm时，电子会发生量子隧穿现象，这会导致晶体管的性能受到限制。量子隧穿实际上就是不受控制的漏电，造成不可控的发热。
 
为了让漏电可控，材料创新和结构创新一样重要，为了实现1nm制程，业界很早就开始研发新材料以应对新挑战。目前产业界已经证明，使用非硅材料可以实现1nm制程。2019年，IMEC就提出，2D材料可实现1nm以下的工艺节点。当时所采用的材料是二硫化钼(MoS2) 。二硫化钼一个重要的特性是可以以稳定的形式生长，厚度仅为一个原子，且在该尺度上具有原子精度。
 
台积电同样在进行2D材料的探索，台积电和麻省理工学院、南洋理工大学曾联合发表了一篇论文，描述单层材料如何受到金属导电间隙的影响。论文指出，通过使用金属铋和一些半导体单层过渡金属二硫族化物，可以实现更小的晶体管，这些2D材料包括二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）。
 
很多业者认为，1nm量产面临多方面的问题，很可能已经是芯片制造工艺的极限。
 

1nm芯片非常昂贵，光刻机就超过4亿美元

除了技术和材料方面的挑战之外，晶圆代工厂想要量产1nm，也需要承担成本和客户方面的风险，因为1nm工艺确实是太贵了。
 
有分析报告指出，想要制造1nm芯片，现有的光刻机都不能满足需求。全球光刻机龙头企业ASML预计，将会在2025年，也就是2nm量产之后再更新一代光刻机，基于High NA技术，将NA指标从当前的0.33提升到0.55，进一步提升光刻分辨率。这个下一代光刻机将主要用于1.4nm工艺的量产，售价是非常昂贵的，将达到4亿美元，是现有光刻机价格的2.8倍。
 
然而，这可能还不是极限。ASML表示，这款0.55NA数值孔径的EUV光刻机应该能够支撑至少1.4纳米芯片的制造，但对于1纳米芯片而言，目前尚无确切明确的方案。那么，我们也可以理解为，如果再需要给1nm重新设计光刻机，价格可能会更高。然而，就现在这个1.5亿美元的光刻机，以及工艺成本，已经让台积电有点吃不消了。回看台积电从2022年第四季度到2023年第二季度的毛利率，从62.2%下降到了54.1%。就这样，也就只有苹果公司用得起。据悉，台积电3nm工艺每片晶圆的价格大概是2万美元，5nm时是1.6万美元。台媒指出，苹果作为唯一的3nm用户，拥有很强的议价能力，将3nm成本压到一个很低的水平，进而导致台积电毛利率承压。而反观高通，本来可以借助3nm进一步拉近和苹果A系列的性能差距，不过由于价格太高，最终选择了三星的工艺。
 
3nm都是如此了，很难想象，下面要经过2nm、1.4nm之后才能到1nm，届时1nm的成本会达到一个怎样的程度。
 
虽然1nm可能面临无人用得起的情况，不过产业界对于量产1nm依然是趋之若鹜。先不说已经展开军备竞赛的台积电和三星，英特尔对量产1nm也是信心满满，和台积电一样，甚至是比台积电更早，英特尔也有自己的1万亿个晶体管的芯片封装路线，在这个路线下，也包含1nm制造工艺。
 
根据此前的报道，日本芯片制造商Rapidus与东京大学联手法国半导体研究机构Leti，也在共同开发1nm芯片。另外，IBM和IMEC也在致力于量产1nm。
 
当然，也有人质疑1nm的存在合理性。根据预期数据，1nm芯片相比于现有的5nm芯片，其性能可能提升20%至30%，而功耗可能降低25%至40%。不到50%的能效提升，却需要为此支付数倍，甚至是数十倍的成本，终端市场可能很难接受这样的芯片。
 
不过，赞同的人认为，1nm可能会通过材料创新等开启芯片制造的新模式，我们无法用今天的眼光去定义未来的科技创新，就像我们当年从微米时代进入纳米时代，以及40nm进入28nm一样，1nm技术的高成本和复杂性也可能导致半导体行业的进一步集中，但同时也会出现更新的高性能运算应用来启用1nm工艺。
 

结语

摩尔定律是一个经济定律，虽然放缓了，不过还远远没有到消亡的时刻。按照台积电等厂商的计划，预计将会在2026年量产1.4nm工艺，然后在2028年1nm将正式量产。不过，从目前的情况来看，延期是大概率事件。
 
1nm已经突破了硅材料的极限，因此除了需要更先进的光刻机等设备之外，材料创新也是一大重点，在此过程中，产业界可能会摸索到一条崭新的工艺迭代路径，将先进工艺水平继续向下推进。站在现在的节点说，1nm太贵完全没有必要，还为时过早。