這一週，臺積電接連官宣了2個爆炸性的訊息。

首先是臺積電高階副QuattroporteY.P. Chin代表公司宣佈：臺積電即將開設2nm晶片研發中心。

緊接著，臺積電（南京）有限公司總經理羅鎮球確認，3nm晶片將在2022年進入量產階段。

3nm晶片還沒開始量產，臺積電的2nm晶片研發就進入了公眾的視線。

8月25日，多頭成功為臺積電守住了當日的股價，股價收盤錄得1.44%的小幅上漲，換手率錄得1.04%；26日，臺積電漲幅進一步擴大至2.14%。

按照以往的規律，隨著晶片奈米數量級越來越小，晶片製造將會越來越接近摩爾定律的天花板。

這意味著晶片的升級換代將帶來更大的成本，而提高晶片密度帶來的效能提升，也將進入一個明顯的邊際效益遞減的過程。

但在晶片製造領域已經取得領導地位的臺積電，依舊選擇一擲千金，快速將2nm晶片製程的研發提上日程。

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更先進的技術

臺積電這個名字，中國大陸的讀者已經非常熟悉。

這家位於臺灣地區的半導體制造商，在過去的2年裡由於某些眾所周知的原因，與中國高科技產業的命運聯絡在了一起。

與其說是聯絡，倒不如說是一種近乎單向的影響力。

臺積電此前表示2020年9月14日之後不再向華為高階晶片代工服務，由此帶來的後果大家都知道了——由於沒有其他代工廠可以進行生產，華為基於7nm製程生產的麒麟系列高階晶片成了“絕唱”。

臺積電官宣的這座2nm工藝研發中心將會擁有一條先進的生產線，同時配套以8000名工程師。

從技術上看，臺積電這次開始研發的2nm晶片工藝將會匯入GAA-FET電晶體結構。

截止目前，臺積電的3nm晶片依然在使用Fin-FET工藝。儘管臺積電的3nm晶片已經完成了研發，但距離量產還有一段距離，更不用提已經帶來的收益。

在這樣的情況下，臺積電對2nm製造工藝的佈局，顯得步子會不會有些大？

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GAA-FET，臺積電在琢磨啥？

臺積電會因為步子大而扯著跨嗎？這次投資和收益是否會成正比？

這要看臺積電希望達到什麼目的。

而要了解臺積電此次佈局2nm晶片的動機，我們必須先簡單了解一下這次2nm晶片採用的GAA-FET工藝本身。

故事得從GAA-FET的“前輩”Fin-FET說起。

FinFET工藝全稱Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鰭式場效應電晶體。這樣的命名，來源於電晶體的形狀與魚鰭的相似性。

在一些電晶體密度較大的晶片中，這種設計可以大幅改善電路控制並減少漏電流（leakage），也可以大幅縮短電晶體的柵長。

曾幾何時，傳統技術在遭遇瓶頸的情況下，Fin-FET成功為“摩爾定律”續了命，推動晶片朝著20nm及以下更高電晶體密度的方向繼續發展到7nm，5nm甚至是3nm。

然而Fin-FET晶片的尺寸進一步縮小至3.5nm後，無論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限，都使得晶體管制造都逐漸接近天花板了。

於是比FinEFT提出要早上10年的GAA-FET又重新被寫進了臺積電的日程表。

GAA-FET全稱Gate-All-Around-Effect Transistor，即切入環繞式柵極技術。

顧名思義，這種技術與Fin-FET相似，但要求電晶體內部的矽通道完全被柵極材料包圍，而不是像Fin-FET一樣被柵極材料覆蓋。

因此，這種技術可以增加電晶體密度，同時增加溝道的縮放潛力，解決了電壓調節的問題進而降低電壓縮放造成的功耗，同時還能提高效能。

業界認為，GAA-FET為半導體代工業務提供了一種超越FinFET設計的方法。

儘管這些改進的具體時間表可能不會像行業過去那麼快，但至少關於它們是否會到來的不確定性現在可能會逐漸改觀。

對於晶片和器件製造商而言，這些技術進步為半導體制造業的未來提供了更清晰的視角，並且應該讓他們有信心推進積極的長期產品計劃。

3

投入很大，產出很小？

但不容忽視的是，隨著晶片的密度的日益提升，晶片更新換代能夠帶來的收益，反而逐漸進入了一個邊際效應遞減的過程。

就連摩爾定律的發現者，英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾都認為，“摩爾定律”必將終結。

我們在現有的晶片上，已經看到更新換代所帶來的效能提升，有些增長乏力。

臺積電曾經對自己的7nm工藝跟10nm工藝進行對比，結果是效能提升了20%、功耗降低40%、晶片密度是10nm的1.6倍。

然而到了5nm工藝的時候，晶片的效能比7nm提高了15%、能耗降低20%、電晶體密度提高1.8倍。

而與5nm工藝相比，3nm晶片的效能提升5%，能耗降低15%，電晶體的密度提高1.7倍。

然而晶片越是高階，其研發成本就越是高的嚇人。

研發16nm晶片的製造工藝，大約需要16.43美元的研發成本，10nm為16.37美元，7nm成本18.26美元，5nm和3nm分別漲到23.57美元、30.45美元。

晶片本身的開發，也遵循同樣的規律。

10nm晶片的開發成本已超1.7億美元，7nm接近3億美元，5nm超5億美元，基於3nm開發的複雜晶片，設計成本更將高達15億美元。

一句話總結：投入越來越高，效能的提升卻越來越小。

不過面對高企的研發成本，臺積電似乎並沒有放慢腳步。

除了在南部科技園的廠房和8000名工程師之外，臺積電最近還被外媒爆料，為配合2nm工藝的研發計劃而一口氣購買了2臺光刻機。

2020Q2臺積電的期末現金流餘額錄得4676.13億新臺幣，同比減少了28.03%；

2020H1固定資產交易帶來了3190.76億新臺幣的現金流出，較上年同期擴大了48.87%；

2020H1臺積電的研發費用錄得498.62億新臺幣，同比增長19.26%，佔營收比重達到8%

據外媒的初步預計，臺積電2020年的資本支出將進一步提升，達到160億美元左右。

臺積電是“瘋”了嗎？

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賽道上的進攻與反攻

如果非要說臺積電佈局2nm的舉動十分“瘋狂”，那也是被競爭對手逼“瘋”的。

縱觀全球半導體市場，目前只有臺積電和三星兩家能夠踏足3nm領域的晶片製造，兩家之間的技術差距相對比較近。

然而三星對GAA-FET工藝的佈局比臺積電要早得多。

2019年5月14日在美國加利福尼亞州聖克拉拉舉行的2019年三星代工論壇上，三星宣佈將於2020年完成GAA工藝開發，並於2021年開始量產匯入GAA工藝的3nm晶片。

值得注意的是，當時三星的晶片製造工藝由由5nm直接上升到3nm。4nm則被直接跳過了，其目的是為了搶在臺積電之前完成3nm的研發。可見三星與臺積電在3nm領域一較高下的決心。

2020年年初，三星成功試產了3nm晶片。

但三星的3nm之路在隨後被突然打斷，其激進的量產計劃卻因為新冠疫情爆發，被迫推遲到2022年。

這與臺積電宣佈要量產3nm晶片的時間節點，又來到了同一起跑線上。

反觀臺積電晶片研發的路徑，則一直是穩紮穩打——從7nm到5nm，再到4nm和3nm，一步一個腳印。

不過在基於Fin-FET工藝的3nm製程剛完成研發、相關晶片尚未開始量產的時候，臺積電便迅速調轉馬頭，斥巨資投入GAA賽道，可見臺積電也開始加快腳步了。

對於臺積電來說，這次佈局2nm的晶片製造，需要完成從Fin向GAA的轉型。

對於三星來說，由於已經研發完成了GAA的研發，下一步需要利用這項技術來生產更高密度的晶片。

同一起跑線上的兩種路徑，誰比較快、誰走得更遠，只有交給時間來驗證。

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慢人一步的慢性死亡

一邊是臺積電和三星之間打得飛沙走石，另一邊則是“佛系”晶片公司，他們在奈米數量級和製造工藝的研發上，步子走得很慢。

這些公司包括曾經的“一騎絕塵”的晶片巨頭英特爾。

從2014年推出14nm晶片開始，英特爾在14nm工藝優化的道路上可謂是越走越長。

2016年，在10nm的“戰爭”又爆發的時候，英特爾另闢蹊徑，提出了“工藝、架構、優化”(P.A.O.)的策略模式，推出了14nm+，隨後又在此基礎上又推出了14nm++。

於是又人調侃英特爾的這種“擠牙膏”行為，稱英特爾的終極目標是研發出14nm++++++。

其實英特爾並不是只有14nm的晶片，只是由於良品率問題導致其10nm晶片一再跳票。在2020年8月，英特爾的經濟工程師們終於揭開Tiger Lake 10nm CPU微架構面紗，後者將出現在9月2日釋出的產品中。

然而其他廠商的7nm晶片早已經走向商用。

曾經的英特爾在半導體領域是“一騎絕塵”的存在，現在已經無法與臺積電和三星展開正面較量。

不過高密度晶片研發的進展緩慢，對於英特爾來說也只不過是溫水煮青蛙式的慢性“死亡”

對於中國晶片製造商來說，形勢則更加嚴峻。

7nm製程的晶片已經是中國大陸的晶片代工廠無法企及的高度。

然而到目前為止，被寄予厚望的中芯國際等中國製造商，能夠做到的僅僅是在14nm製程晶片的基礎上進行優化，使其效能達到與7nm晶片相近的水平。

華為麒麟系列高階晶片成了“絕唱”就是直接的後果。這也難怪華為已經開始自己研發晶片製造的技術。

只是當華為研發成功的時候，臺積電的晶片製程又會縮小几個數量級呢？

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小結

晶片行業的門檻有多高，自然已不必贅述。因此成功掌握了核心科技的上游玩家們，在整個遊戲中將會贏家通吃。

這也是為什麼臺積電和三星兩家竭盡所能力爭“上游”。

而對於下游和低端玩家，另闢蹊徑也許能夠獲得彎道超車的機會，但無法取得突破的話終究是一場溫水煮青蛙的慢性“死亡”。

這兩年中國半導體行業在“制裁”中學到的教訓是：在落後的情況下，還需要加大投入、提前佈局，方能在不進則退的賽道上立於不敗之地。