28納米制程的開發費用大約為5130萬美元，16納米制程需要投入1億美元，5納米制程費用達到5.42億美元。如果按照接近兩倍漲幅測算，在2納米制程上，開發費用可能會將近20億美元。
原標題：2納米芯片，巨頭的金錢競賽
文 | 陳伊凡 編輯 | 謝麗容
指揮全球半導體發展史半個多世紀的摩爾定律（集成電路上可容納的晶體管數量大約每18個月就會增加一倍），直到現在還保有頑強生命力。
7月14日，臺積電在投資者會議上表示，2納米制程將在2024年試產，2025年量產。與3納米制程芯片相比，相同功耗下，2納米芯片速度可以增加10%-15%；相同速度下，功耗可以降低25%-30%。
這個由英特爾創始人之一戈登·摩爾所提出的定律，帶動整個半導體產業鏈向前推進半個多世紀。誰能率先推動摩爾定律的發展，就能在市場上獲得更多份額，賺得盤滿缽滿。這也是眾多企業還在不斷追著摩爾定律跑的原因。
越是高制程，芯片效率越高，但研發越是艱難，越來越多的競爭者在追逐賽中退出。在成熟制程，全球最主要的競爭者有十多傢，涉及成熟制程的晶圓廠就有一百多傢。進入10納米制程之後，全球半導體代工廠僅剩臺積電（NYSE:TSM）、三星（PINK:SSNLF）和英特爾（NASDAQ:INTC）三傢。而在7納米制程之後，全球范圍內的競爭者就剩下臺積電和三星。
其實，在2021年，IBM就發佈全球首顆2納米制程的芯片，根據公開資料，IBM的這顆2納米制程的芯片是將大約500億晶體管放在一片指甲蓋大小的芯片上，與7納米制程的芯片相比，其運算速度將快45%，而能效方面則將提高75%。
不過，IBM作為研究機構，尚不具備量產的能力，2納米制程芯片從實驗室到量產，還需要一段時間。
2納米制程是一個什麼概念？一根頭發絲的直徑一般是5萬納米，2納米相當於把頭發絲軸向剖25000份。
此前，在宣佈2納米芯片研發成功後，IBM宣稱，一個指甲大小的2納米芯片就能容納多達500億個晶體管。對於消費者來說，新技術使芯片降低75%能耗，提高手機的性能，例如電池的壽命可以延長將近4倍。
但到2納米制程後，涉及原有的工藝架構、材料、設備的更新，技術革新，意味著產業格局或將重新洗牌，這也是諸多企業甚至國傢和地區決定押註2納米的原因之一。
除老玩傢臺積電和三星，另一個傳統芯片據歐英特爾在2021年7月公佈最新技術路線圖，稱將在其2納米制程上轉換新的技術結構，以增強新制程的競爭力。英特爾在10納米制程之後被指競爭乏力。
英特爾此前采用FinFET，即鰭式場效應晶體管，FinFET工藝在22納米制程之後成為半導體的主流工藝架構，一直延續到5納米。英特爾即將在2納米上轉換成GAAFET架構，全環繞柵極晶體管，這一工藝架構被視為FinFET工藝的接任者。
三星在3納米節點上率先引入GAAFET的工藝，臺積電也將在2納米節點上采用GAAFET工藝架構。可以理解為，GAAFET工藝就是進入2納米制程之後的主流工藝架構。
芯片也是國傢和地區的競爭遊戲。
根據《日本經濟新聞》報道，日本此前稱將於美國達成共識，最早在2025年在日本建立2納米半導體制造基地。
而歐洲則在其《2030數字指南針》規劃書中，提出未來10年半導體產業發展的目標，其中明確寫道，截至2030年，歐洲先進和可持續半導體的生產總值將至少占全球生產總值的20%，攻克2納米工藝。
一場新的競爭已經開始。目前對於2納米制程還處於研發階段，隻是在頭部效應顯著的半導體行業，後來者能否撼動頭部企業的地位？
頂尖圈層的金錢遊戲
在半導體制程中，28納米制程是一條分水嶺，28納米及以下工藝被稱為“先進工藝”， 28nm以上被稱為“成熟工藝”。有時，28納米也被劃分到成熟工藝這個陣營。7納米及以下，是先進工藝中的“高端圈子”。先進制程越往下走，投入越大。
芯片的成本來自硬件成本和設計成本。硬件的部分就包括晶圓、掩膜、封裝、測試四個部分。軟件部分來自EDA工具、IP授權、架構等部分。
從先進工藝設計成本來看，根據第三方半導體研究機構Semi engineering計算，28納米制程的開發費用大約為5130萬美元，到16納米制程需要投入1億美元，到5納米制程節點，這個費用達到5.42億美元。如果按照接近兩倍漲幅測算，在2納米制程上，開發費用可能會將近20億美元。這個費用包括IP授權、軟件、確認、驗證、架構等環節。
圖片來源：Semi engineering
越往先進制程走，EDA的復雜程度也越高。
EDA即電子自動化設計，是芯片制造中無法避開的環節。它利用計算機輔助設計軟件，來完成超大規模集成電路芯片的功能設計、綜合、驗證、物理實現（包括佈局、佈線、版圖、設計規則檢查等）等流程。
EDA和代工廠、芯片設計公司三者聯系緊密。代工廠需要和EDA公司合作進行工藝的開發，IC設計公司需要使用EDA工具進行芯片設計，然後采用代工廠的工藝進行生產。
新思科技（NASDAQ:SNPS）作為全球頭部EDA公司，市場份額多年一直保持第一。作為唯一一傢既在芯片制造的所有流程環節提供核心技術和軟件，同時又在芯片設計的全流程提供核心技術軟件的EDA和IP的公司，可以說，先進制程的芯片沒有一個可以避開新思科技的EDA工具。
新思科技中國區副總經理朱勇告訴《財經十一人》，從EDA工具開發的角度，先進制程越往下走，所需要面對和解決的問題就越多、越復雜，相應地研發投入就越大。可以從兩個維度來看，一個是設計規模一個是工藝復雜度。從設計規模來說，到3納米時代，芯片設計規模比28納米時代增加幾十倍，往往能達到十億甚至幾十億晶體管的級別，相應地EDA工具種類保守估計在上百種。越往先進制程走，成本就越高。
EDA之外，先進制程的設備也是一個極大的投入。對設備公司來說，研發投入也隨著制程向前推進而增長。2021年，光刻機巨頭阿斯麥公司（ASML）的研發投入達到25億歐元，阿斯麥公司的公開說法是，主要是由於極紫外光刻機的生產以及開發更進一步high-NA的極紫外光刻機。
第三方分析機構IBS測算過晶圓廠在先進工藝的研發投入，3納米制程的工藝研發投入達到40億美元-50億美元，建一座3納米制程、每月生產4萬片的生產線，成本約為150億美元-200億美元。
在先進制程上跑得最快的選手之一是臺積電。梳理臺積電歷年研發投入發現，臺積電的研發投入基本在穩步上升，2021年臺積電研發投入為44.57億美元。可以看到臺積電的研發增速基本上每2年-3年就會有一個高點，這與其進入下一個制程的量產有關。例如在2020年，臺積電的研發增速從2019年的8.91%一下子上升到27.59%，那一年臺積電計劃量產5納米工藝，並全面使用EUV。2021年，臺積電宣佈，2021年的300億美元的資本預算中，將有80%用於擴展先進制程。
先進制程上的前期投入，決定其高昂的成本。
一位長期在半導體設備研發領域的專傢告訴《財經十一人》，5納米制程的流片一次需要4000萬美元到5000萬美元，到2納米制程時，流一次片大概需要1億美元。也就是說，在2納米制程上，光流一次片，就要流掉大概200輛法拉利。
美國第三方分析機構國際商業戰略公司（IBS）的統計，5納米制程的芯片代工價格為25000美元，單片成本為12500美元。3納米制程預計代工價格將高達30000美元。
這遠不是普通的設計公司能夠承擔得起的。因此，隻有全球頭部設計公司才有實力進行投資和開發，如蘋果、超威半導體（AMD）、英偉達和高通等。隻要對高性能計算、性能、速度、功耗有需求，這些企業就會一直在先進制程上投入下去。在算力為王的時代，誰都希望自己的服務器成本越來越低、功耗越來越低但速度能越來越快。
可以預見的是，在先進制程的追逐上，將會越來越“卷”，畢竟誰也不想輸。
誘人的肥肉
沒有企業會做虧本的生意。巨額投入的另一面，是一塊極為誘人的肥肉。
頭部效應在半導體行業明顯。業界素來有“老大吃肉、老二喝湯”的說法。因此，在代工領域占據絕對優勢的臺積電，吃到這個行業絕大比例的紅利，並以一騎絕塵的優勢領先於第二名的三星電子。
根據第三方數據分析機構DIGITIMES Research的預計，2020年全球十大晶圓廠中臺積電的市場占有率達到60.2%，第二名的三星則是8.9%。
這個邏輯在半導體的設備廠商上也同樣適用。上述設備研發的研究人員告訴《財經十一人》，在每一代制程的追逐中，設備廠商的壓力也很大，因為相當於他們的時間節點要更提前一些，研發出設備之後，到代工廠去試驗。如果被代工廠選用，基本可以占到80%的市場，而一旦錯過，可能會滿盤皆輸。業內人士稱其為半導體的“二八定律”。
在先進制程上有絕對優勢的設備廠商阿斯麥公司的財報顯示，其2021年總營收為186億歐元，約合1339億元人民幣，凈利潤為59億歐元，同比增長66%。
根據阿斯麥公司的首席執行官（CEO）溫彼得所說，一臺荷蘭阿斯麥公司（NASDAQ:ASML）的極紫外光刻機，售價將近12億元，這也成為阿斯麥公司營收極為重要的組成部分。其中有63億歐元的營業額來自於42套EUV光刻系統的訂單。也就是說，阿斯麥將近一半的營業額來自於EUV光刻機的貢獻。
在阿斯麥公司的年報中，統計2021年公司各項服務較2020年的銷售額增長情況，EUV光科技的增長最多，增長18.21億歐元。
阿斯麥公司2021年較2020年的各業務銷售額增長情況
圖表來源：阿斯麥公司年報
先進制程的餅很大，那麼掙錢的速度又有多快呢？
毛利率可以從一方面反映這個企業的掙錢能力。臺積電2021年的毛利率達到51.6%，且在過去三年一直穩定在50%左右。要知道，被視為最賺錢的公司的蘋果，2021年的毛利率為43.8%，這已經令大部分企業望塵莫及。同樣是業界頭部的半導體設備商ASML，毛利率也長期穩定在50%左右。
親歷中國50年半導體行業發展歷程的行業觀察者、學者莫大康有一個測算，以臺積電為例，45nm時貢獻20%的營收需要兩年；28nm時貢獻20%的營收需要一年；7nm時貢獻20%的營收需要半年；5nm時貢獻20%的營收隻要一個季度。2021年，5納米制程的收入占據總營收的19%。如果據此推算，3納米甚至進展到2納米制程的時候，或許不到一個月就能貢獻到20%的營收。
巨頭進擊
對於每一個在半導體產業鏈上的公司，都有一條明確的技術路線圖。
每年全球半導體產業各類技術會議上，絕對的重頭戲是討論半導體的技術創新路線，參與方包括企業、大學、研究所，這些交流越深入，技術路線圖就會變得越來越清晰。企業會資助大學進行前期的研究，研究成果會定期在技術會議上進行討論。如果覺得可行，那麼設備廠商就會開始著手研發，推出設備之後，會拿到研究所去試。這個過程當然談不上良率，但研究人員和企業都會提出各種問題，然後進行改進。半導體廠內部也會有一些項目，站在生產實用的角度把會議上提到的研究繼續工程化，看是否能夠變成商用化的產品。
從研發走到實驗室，是一個漫長的過程。往往需要走7年-10年的時間。2納米制程的技術路線，在半導體業界，2016年的時候就已經很明確，而在2014年左右，已經有研究論文發表。
“設備廠商很清楚知道我們的目標在哪裡，兩年後必須要有一個什麼樣的機器，如果沒做出來，我們的設備就很容易被淘汰。”一位設備廠的研發人員告訴《財經十一人》。因此，設備廠也在緊鑼密鼓地迭代自己的技術和產品。
這就是摩爾定律的殘酷所在，一旦跟不上某一個節點，就很可能被甩在後面。
曾經，在進行到65納米時，根據摩爾定律，下一個工藝制程推算應該發展157納米光源的光刻技術，但157納米光源的商業化進程遲遲未能落地，摩爾定律面臨終結。半導體業界存在兩種路線的爭論，一個是繼續研發157納米光源的光刻技術，另一個是另辟蹊徑，采用臺積電林本堅所提出的浸潤式微影技術。
那個時候，美國、歐洲和日本的設備廠已經投下大量研發費，用開發157納米光源的光刻技術。
彼時的阿斯麥公司還沒有現在的地位，總共隻有30號人，技術遠遠落後於日本的光刻公司，光刻機的巨頭是日本的尼康公司。林本堅找到阿斯麥，希望共同研發浸潤式微影技術，阿斯麥為能夠在競爭激烈的摩爾定律追逐中生存，對這個提議非常上心，大概一年左右拿出132納米的樣機，然後在臺積電的產線上試，很快就實現量產，率先推動摩爾定律。
阿斯麥也在這個關鍵節點上，超越尼康。而尼康則已經把大把錢投入在157納米光源的機器上，盡管後面尼康已經研發出157納米的光刻機，但市場卻已經有新的產品，尼康被一直壓制到現在。
上述設備廠的研發人員還記得，在他們公司成立時，他們就要瞄準65納米的工藝研發設備，做完之後立刻就要做45納米的機器。“每一代更新、每一個時間點的步驟都很明確。”他說，“當然，壓力也很大，因為隻要一代設備沒有跟上，公司可能就會死。”
在EDA行業多年的朱勇對此深有體會。目前，新思科技的主流工具是以9個月為固定周期進行版本的更新。他告訴《財經十一人》EDA工具的更新和迭代分為兩種，一種是演進式，這是最主要的發展方式，主要是根據工藝、應用等新的特點和需求對現有工具進行功能增強，這種迭代是持續進行中的。另一種EDA工具的發展是革命性的，通過推出革命性的工具和方法學，引領業界發展方向的創新。
幾年前，新思科技就在和研究院、代工廠一起研發2納米工藝的EDA工具，在代工廠接下新客戶之前，他們會拿著新思科技的EDA工具不斷進行驗證，直到最後通過。“很多研究都是並行的，不是說研發出3納米之後，才開始研發2納米。”朱勇說。摩爾定律就像一個車輪，推動半導體產業鏈上的企業不斷向前。
誰能勝出？
今年6月30日，三星電子宣佈，其旗下的華城工廠已經利用3納米全環繞柵極（以下簡稱：GAA）制程工藝節點開始量產首批芯片，三星成為全球首傢量產3納米芯片的半導體晶圓代工廠。
且不論三星這次3納米GAA芯片良率如何，全球3納米進程往前推進關鍵的一步。
臺積電則宣佈將在2022年下半年量產3納米芯片的計劃。作為全球第一傢宣佈啟動2納米工藝研發的代工廠，臺積電預計於2025年開始生產2納米芯片。
工藝制程指的是芯片上MOS晶體管的源極和漏極的距離。但需要指出的一點是，在進入22納米制程之後，實際的節點就與柵極的長度不匹配。
因此，如今各大廠商所說的2納米、3納米的概念，其實是每個廠商根據自身的參數定義的制程概念。例如，各廠商的3納米制程，是不一樣的參數。同樣是3納米制程的芯片，其晶體管的密度比臺積電低，晶體管密度低，在性能上就體現為功耗會更大，速度慢。很多時候，先進制程的節點更大意義上成為代工廠宣傳的手段。
根據國際器件和系統路線圖（IRDS）的規劃，2021年-2022年以後，鰭式場效應晶體管（FinFET）結構將逐步被環繞式柵極（GAAFET）結構所取代。
所謂GAAFET結構，是通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少漏電流，有效降低芯片運算功耗與操作溫度。
目前看來，GAAFET結構是大勢所趨。此前，在全球半導體產業進入22納米制程時，業界普遍采用FinFET技術，在這條技術路徑中，臺積電一直處於領跑地位。
而在GAAFET結構下，三星走得最早，如今還實現量產。如果2納米制程繼續沿用GAA結構，三星就已經走過GAA的學習曲線，這是一個很大的優勢。
但看好三星的並不多，走得早，不一定代表走得好。在半導體行業，這一點尤為明顯。
“良率是關鍵。”多位業內人士告訴《財經十一人》。哪怕是同一制程，甚至同一種工藝架構，但每個代工廠的工藝不同，也都有自己的一套“秘方”。不同“秘方”的優劣，體現在最後芯片的良率上。
在工藝的研發上，往往是設計企業與代工廠合作，可以理解為，他們一起來炒一盤紅燒肉。設計企業主要負責肉如何選型、做法。代工廠負責決定做到幾分熟，用什麼溫度炒，放多少鹽、多少糖。所以，盡管切塊、選型都差不多，但調料不一樣，炒的溫度不一樣，做出來的肉也各式各樣，這就是代工廠的工藝。
先進制程越往下走，光罩張數及工藝復雜度都顯著升高，良率的提升就越難。這不僅考驗設計企業、考驗代工廠，也考驗設備廠商。
基於良率，IP及對應完備工藝設計生態的考慮，在選擇工藝架構時，廠商都非常慎重，非必要不會更換。這也是臺積電在3納米制程上沒有選擇新的工藝架構GAA的原因。
“全新的工藝架構，背後是龐雜工程。”上述從事多年先進制程研發人員對《財經十一人》說。這涉及到機臺的更換，機臺的更換又涉及到成本、良率以及與新工藝架構生態的建立。臺積電在進行新工藝架構的制程開發，機臺的更換的比率盡可能不會超過10%，這樣能夠保證生產的良率。另一個巨大的工程是，IP需要重新搭建，重新驗證，這對代工廠和設計公司而言重新搭建新的工藝生態無疑的存在諸多不確定性。“有沒有客戶願意和你一起來賭新的工藝，這是個問號。”他說。
這位研究人員告訴《財經十一人》，臺積電有一個節奏咬合緊湊的技術創新模式。一般會有三個團隊，比如，會有一個團隊從事3納米制程的研發和良率的提升，一個團隊從事2納米制程的研發，還有一個團隊會進行1.5納米制程路徑（pathfinding）的研發，等到3納米制程量產之後，3納米制程的團隊就會跳到1.5納米的團隊加入研發，1.5納米的團隊就跳往下一世代的路徑（pathfinding）研發，如此接續推進。“因此我們外界看到的是臺積電的產品開發以兩年為一個周期，但其實從準備到量產，可能就走過5年-6年時間。”
而臺積電在控制良率上也有自己的一套工作方式。一位設備研發專傢如此描述他與臺積電合作時的經歷，“臺積電的各大工廠有很大的主動性，他們可以根據實際情況自己調整機臺的設定，而不是純粹執行研發所制定的參數。這對於良率的提升很有幫助。”這就好比烹飪，同一道菜，用鐵鍋做出來的和用砂鍋做出來的，需要加熱的時間、配料多少可能不盡相同。
“有的廠可能一年裡可以把良率從20%拉升到80%，這就是晶圓廠的真功夫和本事。”上述研發人員表示。
在新的工藝架構之下，可能很難定論誰能勝出，但從當下局勢來看，擁有最長代工歷史的臺積電在摩爾定律的推進中走得更穩。新入局者是否能從臺積電、三星這些老玩傢手中分得一杯羹，可能沒有那麼容易。但越往先進制程走，就越不單單是一傢或幾傢企業能完成的，需要更多全球各方企業、研究院和政府的加入，與其將先進制程視為一場競逐，不如將其視為一場全球合作的技術創新。
2納米制程還方興未艾，關於1.5納米制程的討論已經在半導體的技術討論會上開始，2025年之後，將會出現一個新的架構，業界稱之為“FortSheet”，到2030年，又有新的結構被討論出來，並可能成為現實。摩爾定律會放緩，但可能會一直延續。