半导体工艺方面又传来喜讯：台积电在1nm制程上取得突破

虽然在美国层层禁令的影响下，台积电被迫断供华为，但台积电的整体运营状况，并没有因为失去一个大客户而受到太大影响。据了解，在台积电确定9月15日断供华为的消息后，苹果公司立即向台积电追加大额订单，截止目前台积电的5nm以及7nm生产线依然处于满载运行状态。同时，台积电的营收也大幅增长，而之所以该公司在失去华为这个大客户之后的生意依旧红火，主要得益于其所掌握的技术优势。放眼全球专业晶圆代工领域，台积电是目前唯一一家能够成熟掌握7nm/7nm EUV、量产5nm制程芯片的代工厂。

近日，全球最大的芯片代工厂台积电宣布，该公司联合台大、麻省理工宣布，1nm以下芯片已取得了重大进展，相关研究成果已发表于《自然》。

据Hexus等国外媒体报道，来自台积电，台湾大学和麻省理工学院(MIT)的研究科学家宣布，在电子领域的“超越硅”和2D材料的使用方面取得了突破，论文发布在《自然》杂志。他们声称，这项研究为1nm以下的电子制造工艺提供了一条途径，有助于突破当前半导体技术和材料的极限。

前一段时间，IBM宣布制造出全球首款2nm工艺节点的芯片，让不少人期待2nm芯片可以早日实现量产。近日，半导体工艺方面又传来了喜讯。台积电(TSMC)与台大(NTU)和麻省理工(MIT)合作，在研发1nm芯片方面取得了重大突破。

研究人员发现，利用半金属铋(Bi)作为二维材料的接触极来替代原有的硅元素，这样可以利用铋元素大幅度降低电阻并大大提高传输电流。该发现首先由MIT团队提出，然后台积电和NTU进一步进行了完善。在未来，这可以提高芯片的性能和能源效率，相关的研究已发表在国际期刊《Nature》上。

近日，有媒体报道称台积电取得了2nm研发的重大突破，与3nm和5nm制程采用的FinFET架构不同，台积电的2nm制程采用了全新的多桥通道场效晶体管，又称为MBCFET架构，解决FinFET因制程微缩产生电流控制漏电的物理极限问题。

按照台积电给出的指标显示，2nm工艺是一个重要节点。Metal Track(金属单元高度)和3nm一样维持在5x，同时Gate Pitch(晶体管栅极间距)缩小到30nm，Metal Pitch(金属间距)缩小到20nm，相比于3nm都小了23%。

台积电计划在2022年下半年3nm工艺节点进入批量生产阶段，目前还在进行2nm工艺节点的研发，1nm工艺节点要实现真正量产估计还要等上好些年。

近期台积电最大的麻烦仍然是生产用水的问题，中国台湾地区持续的干旱使得当地主管部门不断收紧用水政策。据Wccftech报道，市场传言台积电为了保障用水，不断增加预算，通过订购更多水罐车运水以保障生产。据研究公司Susquehanna的统计，目前业内采购订单的交货时间在3月份已经增加了一周，达到了16周，这也是多年来的最高值。更糟糕的是，据现有数据显示，4月份会在此基础上再加上一周。

尽管AMD首席执行官苏姿丰博士接受彭博社采访的时候似乎并不担心芯片短缺的问题，并不认同当前供需状况是一场“灾难”这种说法，认为只是半导体业必须经历的“循环”，同时表示AMD的产品线有足够实力应付未来的挑战。

不论是5nm还是3nm工艺，甚至未来的2nm工艺，台积电表示EUV光刻机的重要性越来越高，但是产能依然是EUV光刻的难题，而且能耗也很高。刘德音提到，台积电已经EUV光源技术获得突破，功率可达350W，不仅能支持5nm工艺，甚至未来可以用于1nm工艺。按照台积电提出的路线图，他们认为半导体工艺也会继续遵守摩尔定律，2年升级一代新工艺，而10年则会有一次大的技术升级。

目前，台积电和三星电子是世界上仅有的两家可以批量生产7纳米以下半导体的公司，两家公司目前都在批量生产5纳米产品。半导体行业专家一直在关注两家公司中的哪一家将首先开始批量生产3nm产品。众所周知，与5纳米制程相比，3纳米制程可使芯片尺寸减小35%，但其性能和电池效率分别提高15%和30%。

台积电有望在2022年年底开始批量生产3纳米产品。这家台湾半导体巨头正在投资120亿美元，在亚利桑那州凤凰城建设一条5纳米生产线。最近，该公司制定了一项计划，计划额外建造五条生产线，其中包括最先进的低于3纳米的生产线。

台积电一直走在先进技术的前沿，目前已经成功突破5nm芯片工艺，并且成功量产。但是5nm并不是终点，而是对高端工艺探索的起点。

在台积电的计划中，明年就能发布有关3nm的产品，并且在2022年尝试量产3nm，到2023年就能正式大规模量产。

台积电在2020年半导体大会上，就宣布要冲刺1nm工艺。1nm工艺可能是顶尖中的顶尖，可能以目前的EUV光刻机都无法做到。

到时候整个产业链都需要有相应的提升，最关键的光刻机设备能否达到制造1nm芯片的条件还是未知的。如今5nm才刚刚起步，台积电的技术储备就已经紧张到了2nm，并朝着1nm迈进。根据最新报道，台积电已经在2nm工艺上取得一项重大的内部突破，虽未披露细节，但是据此乐观预计，2nm工艺有望在2023年下半年进行风险性试产，2024年就能步入量产阶段。

2nm工艺上，台积电将放弃延续多年的FinFET(鳍式场效应晶体管)，甚至不使用三星规划在3nm工艺上使用的GAAFET(环绕栅极场效应晶体管)，也就是纳米线(nanowire)，而是将其拓展成为“MBCFET”(多桥通道场效应晶体管)，也就是纳米片(nanosheet)。

从GAAFET到MBCFET，从纳米线到纳米片，可以视为从二维到三维的跃进，能够大大改进电路控制，降低漏电率。新工艺的成本越发会成为天文数字，三星已经在5nm工艺研发上已经投入了大约4.8亿美元，3nm GAAFET上会大大超过5亿美元。