出品 | 虎嗅科技组
作者 | 丸都山
编辑 | 苗正卿
头图 | 视觉中国
在2nm工艺制程的决战上，台积电又一次跑到了前面。
12月6日，据中国台湾媒体《经济日报》报道，台积电已在新竹县的宝山工厂完成2nm制程晶圆的试生产工作。据悉，此次试生产的良品率高达60%，大幅超越了公司内部的预期目标。
值得一提的是，按照台积电董事长魏哲家曾在三季度法说会上的表态，2nm制程的市场需求巨大，客户订单未来可能会多于3nm制程。
从目前已知信息来看，台积电已经规划了新竹、高雄两地的至少四座工厂用于2nm制程的生产，在满产状态下，四座工厂在2026年年初的2nm总产能将达12万片晶圆。
在三星工艺开发受挫，英特尔代工业务前途未卜的背景下，台积电在芯片代工行业中，已经取得压倒性优势。
01路线押对了
自芯片代工行业进入先进制程后，2nm的节点就被普遍认为是“决战节点”。
它的特殊性在于，过去各家早已得心应手的“FinFET架构”在这个尺度下已经开始失效，CMOS器件与生俱来的“短沟道效应”又一次被暴露出来。
这里需要补充一个知识点：我们常说的14nm、7nm工艺节点实际指的是晶体管导电沟道的长度（由于沟道长度不容易被观测，业界通常用更加直观且接近的栅极长度代指工艺节点）。
CMOS器件功能越复杂，晶体管的密度就会越大，这就必然需要沟道长度越来越小。可问题是，随着沟道长度的缩短，沟道管中的源极和漏极的距离也会越来越短，因此栅极很难再保证对沟道的控制能力，也意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而出现严重的电流泄露。
为了解决这个问题，华人科学家胡正明在1999年提出了“鳍式场效应晶体管”架构，也就是FinFET。在这个结构中，栅门被设计成了类似鱼鳍状的3D结构，能够让晶体管沟道长度减少的同时，大幅减少电流泄露的问题。
FinFET架构的出现，让摩尔定律被续命将近20年，直到进入5nm工艺制程后，该架构也开始逐渐失效。
由此，GAAFET架构又被提出来。与前者相比，GAAFET架构相当于将栅极的鳍片旋转90°，然后再在垂直方向上分成了多条鳍片，来增加其与沟道的接触面积。
FinFET架构与GAA架构的区别，三星半导体代工论坛
这条技术路线得到了业内的广泛认可，但却让代工难度呈指数级上升。
因此，当台积电在开发3nm工艺制程时，并没有急于改用GAAFET架构，而是继续选择在FinFET结构上缝缝补补。应该说，台积电的技术还是非常过硬的，从苹果的A17芯片算起，过去两年所有使用台积电3nm工艺代工的芯片都没有出现明显的发热或是高功耗的问题。
与此同时，由于FinFET工艺非常成熟，台积电所有从事3nm代工的产线，其良率都能达到80%以上，甚至逼近90%。
相比于台积电的保守，三星则选择了“一步到位”，直接在3nm工艺节点上就改用GAAFET架构。但由于开发难度过大且时间紧迫，其3nm试生产的良率不足20%，根本无法满足量产需求。
这也直接导致了，台积电几乎包揽了全球的3nm芯片产能，其三季度财报显示，台积电期内的营收达到235.04亿美元，同比增长36.27%；净利润达到100.63亿美元，同比增长50.18%。
在3nm工艺代工赚得盘满钵满后，台积电在2nm工艺上的开发更加游刃有余。这也很好解释了，为什么让三星跌跟头GAAFET架构，台积电在试生产时，甚至可以拿出优于预期的表现。
02台积电还有对手吗？
按照台积电此前公布的路线图，在相同功耗下，采用N2工艺的芯片在性能上将比N3E（第二代3nm工艺）提升10%-15%。
虽然听起来提升有限，但台积电也提到过，在相同性能下，N2工艺的芯片将比N3E功耗降低25%-30%，这对于消费电子芯片厂商，尤其是SoC的设计厂商，吸引力无疑是巨大的。
不过，2nm工艺的代工价格大概率也会非常贵，而且是普通消费者都能感知到的贵。
根据中国台湾媒体的预测，台积电2nm单片晶圆的代工价格可能会高达3万美元，相比之下，4nm工艺单片晶圆的价格为1.5万美元，3nm工艺单片晶圆的价格为1.85万美元。
这还没有考虑到芯片设计厂商的研发及流片成本。过去在28nm时代，芯片研发费用大概是5000万美元，推进到16nm时则被提到到1亿美元，再到5nm时，这项费用已经达到5.5亿美元。
预计2nm芯片的研发费用，可能高达数十亿美元。可以预见的是，这些成本终将转移到消费者头上。
2nm芯片的价格如此高昂，一方面是因为各个环节的成本都在上升，另一方面也是因为台积电在芯片代工行业中，已经形成了事实上的垄断。
仅在今年，台积电便两次提高其代工费用，不仅是对3nm工艺制程，甚至早已成熟、成本理应下降的5nm工艺制程的价格亦被提高4%-10%。
那么在进入2nm工艺时代后，行业内还有能掣肘台积电的力量吗？
三星电子方面，这家公司在3nm工艺制程上跌了个大跟头后，立志要在2nm工艺制程上完成追赶。此前业内就有传闻称，三星电子已经有暂停3nm工艺开发，全力“All in”2nm工艺的打算。
考虑到其位于华城的S3产线，在还未正式量产3nm晶圆前，就开始计划将设备升级为2nm工艺的配套设备，这种说法可能并非空穴来风。
但按照三星电子的规划，其2nm产能至少要到2027年才能量产。
另一边的英特尔，虽然已经完成18A工艺（等效2nm）的试生产工作，但被曝良率过低，且公司正处于动荡期，量产时间也是遥遥无期。
以此来看，在2nm工艺制程的开发上，台积电的竞争对手目前仍难以望其项背，而对于下游厂商来说，未来相当长的一段时间内，只能默默承受台积电的加价。
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