晶圓代工，角逐1nm

當(dāng)2nm制程的戰(zhàn)鼓剛剛擂響，半導(dǎo)體行業(yè)的目光已然投向了更前沿的技術(shù)無(wú)人區(qū)——1nm（A10）節(jié)點(diǎn)。這不僅是摩爾定律的終極考場(chǎng)，更是芯片制造工藝從"納米時(shí)代"邁向"埃米時(shí)代"的分水嶺。

據(jù)IMEC（比利時(shí)微電子研究中心）發(fā)布的未來(lái)硅基晶體管的亞1nm工藝節(jié)點(diǎn)路線圖預(yù)測(cè)，到2036年，半導(dǎo)體器件將從納米時(shí)代邁入原子（埃米）時(shí)代，這意味著硅材料的原子級(jí)精準(zhǔn)制造將成為半導(dǎo)體科技發(fā)展的戰(zhàn)略突破方向。1nm等于10埃米，這意味著人類將在原子尺度上搭建晶體管，每一個(gè)原子的位置都關(guān)乎成敗。

臺(tái)積電、三星、英特爾三大產(chǎn)業(yè)巨頭都披露了1nm級(jí)制程相關(guān)計(jì)劃，將這場(chǎng)先進(jìn)工藝的軍備競(jìng)賽推向埃米時(shí)代。在這個(gè)節(jié)點(diǎn)上，晶體管架構(gòu)將從GAA納米片進(jìn)化到CFET（互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管），光刻機(jī)需要實(shí)現(xiàn)0.55甚至0.75的數(shù)值孔徑，晶圓廠的造價(jià)將飆升至300億美元以上。這是一場(chǎng)只有頂級(jí)玩家才能參與的豪賭。

01

1nm量產(chǎn)消息不斷

在量產(chǎn)進(jìn)度上，幾家巨頭的時(shí)間表既相互追逐又各有保留。

作為全球晶圓代工的龍頭，臺(tái)積電拿下了全球晶圓代工市場(chǎng)近70%的份額，在先進(jìn)制程領(lǐng)域更是長(zhǎng)期領(lǐng)跑行業(yè)。目前其2nm N2工藝于2025年年底實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，今年迎來(lái)蘋果、AMD等頭部客戶的規(guī)模商用；后續(xù)的A16工藝將由NVIDIA費(fèi)曼GPU首發(fā)，年底啟動(dòng)試產(chǎn)，2027年正式量產(chǎn)。

在更前沿的1nm賽道，臺(tái)積電的布局早已落地。按照規(guī)劃，其首個(gè)埃米級(jí)工藝A10（1nm）將于2030年正式面世，屆時(shí)采用臺(tái)積電3D封裝技術(shù)的芯片，晶體管數(shù)量將突破1萬(wàn)億個(gè)，即便是傳統(tǒng)封裝芯片，晶體管規(guī)模也將超過(guò)2000億個(gè)。產(chǎn)能配套方面，總面積達(dá)531公頃的臺(tái)南沙侖園區(qū)將于今年4月進(jìn)入二期環(huán)評(píng)，2027年三季度完成最終環(huán)評(píng)。根據(jù)臺(tái)積電之前公布的計(jì)劃，園區(qū)規(guī)劃建設(shè)6座晶圓廠，其中P1-P3工廠主攻1.4nm工藝A14，P4-P6工廠則專為1nm工藝A10布局，后期不排除還有0.7nm工藝。此外，有消息稱，臺(tái)積電規(guī)劃的臺(tái)南Fab 25晶圓廠可容納6條產(chǎn)線，同樣按照P1-P3產(chǎn)線適配1.4nm、P4-P6產(chǎn)線適配1nm的規(guī)格布局。在A10之前，臺(tái)積電預(yù)計(jì)將于2028年推出1.4nm工藝A14，升級(jí)第二代GAA晶體管結(jié)構(gòu)與背面供電技術(shù)。

三星電子的晶圓代工業(yè)務(wù)已定下2030年前完成1nm級(jí)先進(jìn)制程工藝SF1.0開發(fā)并轉(zhuǎn)移至量產(chǎn)階段的目標(biāo)，意圖與臺(tái)積電爭(zhēng)奪先進(jìn)制程話語(yǔ)權(quán)。

三星的激進(jìn)背后，是尷尬的現(xiàn)實(shí)困境。盡管在2nm工藝上率先發(fā)布Exynos 2600芯片，但其試產(chǎn)良率僅為30%，今年年初其2nm GAA制程(SF2)的良率才提升至50%。而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手臺(tái)積電的2nm工藝良率初期便達(dá)到60%。更嚴(yán)峻的是，高通、AMD等核心客戶持續(xù)將訂單轉(zhuǎn)向臺(tái)積電，就連三星自家的Galaxy S25系列也棄用Exynos芯片，轉(zhuǎn)投高通驍龍懷抱。

英特爾在2024年的Foundry Direct Connect活動(dòng)上更新了路線圖：14A（1.4nm）節(jié)點(diǎn)將于2026年開始生產(chǎn)，而10A（1nm）節(jié)點(diǎn)將于2027年底進(jìn)入開發(fā)/生產(chǎn)階段。

日本Rapidus也在積極布局。Rapidus是由包含索尼（Sony）與豐田（Toyota）在內(nèi)的八家日本大型企業(yè)共同結(jié)盟成立，野心是將與臺(tái)積電之間的技術(shù)差距大幅縮短至六個(gè)月之內(nèi)。目前正在積極開發(fā)1.4nm技術(shù)，2029年開始生產(chǎn)。然而，部分市場(chǎng)分析師預(yù)測(cè)，Rapidus可能會(huì)嘗試提前在2028年底就啟動(dòng)營(yíng)運(yùn)。這家日本晶圓代工廠在業(yè)務(wù)推進(jìn)上展現(xiàn)了強(qiáng)勁的動(dòng)能，但它仍面臨嚴(yán)峻的結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)，即日本缺乏能夠消化1nm龐大需求的大型Fabless市場(chǎng)。

02

1nm技術(shù)實(shí)力分析

1nm制程的技術(shù)挑戰(zhàn)遠(yuǎn)超以往，核心在于晶體管架構(gòu)的代際躍遷。

從GAA到CFET的進(jìn)化

當(dāng)前2nm節(jié)點(diǎn)普遍采用GAA（Gate-All-Around，環(huán)繞柵極）納米片晶體管，但1nm節(jié)點(diǎn)需要更激進(jìn)的架構(gòu)。IMEC的路線圖顯示，從2nm到A7（0.7nm）節(jié)點(diǎn)將采用Forksheet（叉片）設(shè)計(jì)，隨后在A5和A2節(jié)點(diǎn)引入CFET（Complementary FET，互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。

三星已明確將在1nm節(jié)點(diǎn)采用Forksheet結(jié)構(gòu)——這是GAA納米片的進(jìn)化版，在標(biāo)準(zhǔn)GAA基礎(chǔ)上新增介質(zhì)壁，可進(jìn)一步提升晶體管密度與性能。臺(tái)積電在1nm制程中可能不會(huì)立即采用CFET，而是繼續(xù)優(yōu)化GAA架構(gòu)。

CFET的核心突破在于3D垂直堆疊：將N型與P型晶體管上下堆疊，共享同一柵極，面積可縮減50%，電流密度提升2倍 。這意味著在同樣的芯片面積上，晶體管密度將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。不過(guò)，CFET 架構(gòu)對(duì)晶圓正面層疊工藝的精度要求達(dá)到了原子級(jí)，多層器件的對(duì)齊難度極高，產(chǎn)業(yè)化落地面臨不小的挑戰(zhàn)。

值得注意的是，按此前的技術(shù)路徑，CFET本是下一代架構(gòu)的公認(rèn)標(biāo)桿。但中國(guó)北京大學(xué)提出的FlipFET技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了8層晶體管的三維垂直集成，單位面積邏輯密度較傳統(tǒng)FinFET提升3.2倍，功耗降低58%。這一突破性成果被業(yè)界視為延續(xù)摩爾定律的最具潛力方案之一。不同于CFET依賴復(fù)雜的晶圓正面層疊工藝，F(xiàn)FET先在晶圓正面制造n型晶體管（如FinFET NMOS），再通過(guò)鍵合另一晶圓并翻轉(zhuǎn)減薄，在背面制造p型晶體管（如FinFET PMOS）。這種結(jié)構(gòu)無(wú)需垂直堆疊，而是通過(guò)物理翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)n/p器件的空間分離，從根本上避免了CFET的多層對(duì)齊難題。

光刻技術(shù)的極限挑戰(zhàn)

1nm制程對(duì)光刻技術(shù)提出了近乎苛刻的要求。ASML的High-NA EUV（0.55 NA）光刻機(jī)已經(jīng)交付，其分辨率提升至8nm線寬，理論上在雙重曝光下可支持1nm芯片生產(chǎn)。但每臺(tái)設(shè)備成本超過(guò)3.5億歐元，重達(dá)15萬(wàn)公斤，需要250名工程師花費(fèi)6個(gè)月組裝。

更遙遠(yuǎn)的是ASML正在研發(fā)的Hyper-NA EUV（0.75 NA），預(yù)計(jì)2030年前后推出，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品命名為HXE系列。ASML預(yù)計(jì)，Hyper AN光刻機(jī)或許能做到0.2nm甚至更先進(jìn)工藝的量產(chǎn)，但目前還不能完全肯定。

背面供電與新材料

為緩解布線擁塞，1nm節(jié)點(diǎn)將普遍采用背面供電網(wǎng)絡(luò)（BSPDN）技術(shù)，將電源傳輸網(wǎng)絡(luò)移至晶體管背面，從而提升信號(hào)完整性并降低功耗。此外，二維材料如二硫化鉬（MoS?）作為晶體管溝道材料的研究也在加速，其在1nm尺度下仍能保持開關(guān)特性，電子遷移率比硅高10倍。

03

1nm市場(chǎng)潛力

臺(tái)積電預(yù)測(cè)，到2030年，采用3D封裝技術(shù)的芯片晶體管數(shù)量將超過(guò)1萬(wàn)億個(gè)，而采用傳統(tǒng)封裝技術(shù)的芯片晶體管數(shù)量將超過(guò)2000億個(gè)。相比之下，當(dāng)前英偉達(dá)GH100只有800億個(gè)晶體管。

這意味著什么？AI訓(xùn)練芯片的算力將迎來(lái)新一輪爆發(fā)。臺(tái)積電指出，從5nm到A14的每一代工藝，都將實(shí)現(xiàn)約30%的功耗效率提升、15%的性能增益和20%的晶體管密度提升。

三星則將1nm的賭注押在AI芯片上。據(jù)韓媒報(bào)道，特斯拉的AI6芯片將采用三星的SF2T工藝于2027年量產(chǎn)，而三星的1nm工藝將瞄準(zhǔn)下一代AI加速器。

更值得關(guān)注的是，1nm芯片的制造成本將達(dá)到天文數(shù)字。從3nm到2nm，晶圓成本已從約1.8萬(wàn)美元漲至3萬(wàn)美元。若延續(xù)這一趨勢(shì)，1nm晶圓成本可能達(dá)到4.5萬(wàn)美元以上（約合32萬(wàn)人民幣），甚至更高。這不僅考驗(yàn)著芯片設(shè)計(jì)公司的財(cái)力，更可能重塑整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式。

04

背后的贏家

在這場(chǎng) 1nm 制程的全球角逐中，除了晶圓代工巨頭的正面交鋒，產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心玩家，早已成為決定戰(zhàn)局的關(guān)鍵力量，甚至是這場(chǎng)競(jìng)賽的隱形贏家。

首當(dāng)其沖的是光刻機(jī)巨頭ASML。ASML壟斷先進(jìn)光刻機(jī)市場(chǎng)，占據(jù)90%份額，其EUV和高數(shù)值孔徑EUV光刻機(jī)是3nm及以下制程芯片的核心設(shè)備。在1nm的角逐中，ASML依舊是無(wú)可替代的關(guān)鍵角色。

近日，imec宣布ASML EXE:5200高數(shù)值孔徑EUV光刻系統(tǒng)正式上市，這是目前最先進(jìn)的光刻工具。imec 預(yù)計(jì) EXE:5200 高數(shù)值孔徑 EUV 光刻系統(tǒng)將于 2026 年第四季度完成全面認(rèn)證。與此同時(shí)，位于費(fèi)爾德霍芬的 ASML-imec 聯(lián)合高數(shù)值孔徑 EUV 光刻實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，確保 imec 及其生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的高數(shù)值孔徑 EUV 研發(fā)活動(dòng)的連續(xù)性。ASML的EXE:5200（High-NA EUV）將成為1nm工藝的入場(chǎng)券。

此外，刻蝕、薄膜沉積等其他工藝設(shè)備也是重中之重。今年三月，IBM宣布與半導(dǎo)體設(shè)備制造商泛林(Lam Research)就亞1nm尖端邏輯制程的開發(fā)達(dá)成合作，雙方為期5年的新協(xié)議將重點(diǎn)聚焦新材料、先進(jìn)蝕刻/沉積工藝、High NA EUV光刻的聯(lián)合開發(fā)。兩家企業(yè)將結(jié)合IBM奧爾巴尼園區(qū)的先進(jìn)研究能力和泛林的端到端工藝工具和創(chuàng)新技術(shù)，團(tuán)隊(duì)將構(gòu)建并驗(yàn)證納米片和納米堆疊器件以及背面供電的完整工藝流程。這些能力旨在將High NA EUV圖案可靠地轉(zhuǎn)移到實(shí)際器件層中，實(shí)現(xiàn)高良率，并支持持續(xù)的微縮化、性能提升以及未來(lái)邏輯器件的可行量產(chǎn)路徑。

而應(yīng)用材料也在近日宣布推出兩款適用于埃級(jí)工藝（1埃米 = 0.1納米）的沉積設(shè)備，這兩款設(shè)備已導(dǎo)入領(lǐng)先邏輯芯片制造商的2nm 及以下尖端工藝中。應(yīng)用材料表示，GAA 全環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu)正成為尖端工藝的必然之選，可帶來(lái)顯著的能效提升。不過(guò) GAA 的結(jié)構(gòu)相較 FinFET 也更為復(fù)雜，需要超過(guò) 500 道工序方能制造，而這其中不少都要用到全新的材料沉積方法。

總的來(lái)看，1nm制程的競(jìng)賽實(shí)際上是一場(chǎng)"技術(shù)、資本和耐心"的立體戰(zhàn)爭(zhēng)。臺(tái)積電依舊穩(wěn)扎穩(wěn)打，依靠客戶粘性和技術(shù)積累保持領(lǐng)先；三星試圖通過(guò)激進(jìn)的路線圖和架構(gòu)創(chuàng)新（Forksheet）實(shí)現(xiàn)彎道超車；英特爾則希望借助美國(guó)芯片法案的支持，在2027年重返第一梯隊(duì)；而Rapidus作為新玩家，正試圖用"快魚吃慢魚"的策略在縫隙中尋找機(jī)會(huì)。而在這背后，還需要半導(dǎo)體設(shè)備商的支持。

1nm是否會(huì)成為摩爾定律的終點(diǎn)？或許在2030年，當(dāng)?shù)谝黄珹10晶圓下線時(shí)，我們才能找到答案。但可以確定的是，這場(chǎng)"角逐1nm"的戰(zhàn)役，已經(jīng)悄然打響。