本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，【作者】方圆。
在半导体制造中，2nm工艺是继3nm工艺节点之后的下一个MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）芯片微缩技术。
“2nm”或“20埃”（英特尔使用的术语）与晶体管的任何实际物理特征（例如栅极长度、金属间距或栅极间距）无关。根据电气和电子工程师协会(IEEE)发布的2021年更新的《国际设备和系统路线图》中的预测，“2.1 nm节点范围标签”预计接触栅极间距为45 nm，最紧密金属间距为20 nm。
一般而言，5nm芯片每平方毫米的晶体管数量大约在1.7亿-2亿个左右。随着制程微缩到3nm，晶体管密度会有显著提升，能达到每平方毫米2.5亿-3亿个左右。而2nm制程更是实现了巨大飞跃，其晶体管密度有望超过每平方毫米3.5亿个，相较于3nm又提升了约15%-20%，相比5nm提升幅度超75%。更高的晶体管密度意味着芯片能够同时处理更多的任务，在多线程、并行计算等场景下表现更为出色，无论是运行复杂的科学计算软件，还是处理高清视频流、玩大型3D游戏等日常应用，都能带来更流畅的体验。
在功耗方面，芯片制程越小，晶体管在开关状态切换时消耗的电能就越少。到了2nm制程，由于晶体管尺寸更小、电阻更低，漏电现象大幅减少，功耗能够比3nm芯片再降低10%-15%左右，这对于依靠电池供电的移动设备而言至关重要，可显著延长设备续航时间，如智能手机、平板电脑等，让用户无需频繁充电。
同时2nm芯片相较于3nm芯片，性能有望再提升10%-20%，能够让计算机启动程序更快、渲染图像更迅速，在人工智能计算、大数据处理等需要快速运算的领域展现更强的实力。
了解完2nm芯片在性能与功耗上的优势后，看看全球半导体巨头在该领域的进展。
01 台积电：一马当先
台积电2nm（N2）技术开发进展顺利。N2技术采用该公司第一代nm片晶体管技术，在性能和功耗方面实现了全节点跨越，预计今年实现量产。
前不久在旧金山举行的IEEE国际电子设备会议(IEDM)上，台积电透露了关于2nm的更多细节。
台积电强调，其2nm工艺的性能提高了15%，功耗降低了30%，显著提高了节点效率。此外，该工艺的晶体管密度提高了1.15倍，这归功于全环栅(GAA)nm片晶体管和N2 NanoFlex的使用，这使得制造商能够在最小的面积内塞入不同的逻辑单元，从而优化节点的性能。
通过从传统的FinFET技术过渡到专用的N2“nm片”，台积电成功实现了对电流的更大控制，这使得制造商能够根据工艺用例微调参数。这之所以成为可能，是因为nm片具有一叠狭窄的硅带，每条硅带都被栅极包围；与FinFET实现相比，这最终可以实现更精确的控制。
来源：台积电
据称，N2晶圆每片的价格可能在2.5-3万美元之间，具体取决于台积电如何调整，但与3nm相比，这是一个巨大的上涨，据说3nm的价格约为2万美元。更不用说，当你考虑到初始良率和试产时，最终生产会受到更多限制，这意味着该工艺的采用在开始时会比较慢。
此前，据台积电董事长魏哲家称，2nm晶圆的需求高于上一代3nm，因此台积电提前试产也是理所当然。台积电已经开始小规模生产先进光刻技术，但目前的产能仅限于5,000片晶圆。不过，此前有报道称，该公司在试运行期间已达到10,000片，预计今年晚些时候将达到50,000片。
到2026年，这一数字预计将达到80,000片，但尚未确认是同时采用N2和N2P工艺还是仅采用其中一种。此前，随着宝山和高雄工厂的投入运营，台积电每月的晶圆产量可以达到40,000片。在进步方面，没有其他代工厂能够与制造商的步伐相匹敌，因此大多数决心推出尖端硅片的公司将寻求台积电的服务也就不足为奇了。
但目前晶圆价格过高也引发了客户的担忧，台积电正在探索降低总成本的新方法，首先是推出名为“CyberShuttle”的服务，该服务将于今年4月晚些时候启动。这种方法将允许苹果、高通等公司在同一测试晶圆上评估他们的芯片，从而降低成本。苹果预计将是该代工厂的第一个客户，其次是高通和联发科。
但有消息称高通、英伟达等公司因台积电成本高考虑转投三星代工厂。高通在移动芯片领域地位重要，与台积电合作久，很多旗舰芯片由台积电生产，但2nm工艺晶圆高价加上台积电可能涨价，使其成本压力大，在智能手机市场芯片成本波动影响产品定价与利润，所以重新审视供应链，三星代工价格低且有3nm GAA工艺经验，对高通有吸引力。
英伟达在GPU领域领先，人工智能发展使其对高性能芯片需求大增，本指望台积电2nm工艺提升竞争力，但台积电代工成本高、初始产能有限，阻碍产品推出计划。三星展示2nm工艺规划，提出性价比更高方案争取英伟达订单。
台积电清楚自身技术优势难被马上超越，2nm工艺性能、功耗、晶体管密度优势是吸引客户关键，但也意识到客户流失风险。为应对，除“CyberShuttle”服务，还加速内部成本优化流程，加大研发投入提升良率，降低单位成本，同时与客户深度沟通，依客户需求定制芯片代工方案。
目前台积电最大的客户苹果已在其工厂预留了2nm芯片生产，这让苹果相对于业内其他公司占据了优势。但苹果已推迟使用台积电的2nm处理器芯片用于iPhone 17 Pro和iPhone 17 Pro Max，目前商用发布时间定于2026年。延迟是因为对台积电2nm芯片的高生产成本和有限的制造能力感到担忧。
02 三星：豪赌未来
三星在2nm赛道上同样全力以赴。其计划在2nm芯片中集成背面供电网络（BSPDN）技术，将电源线放置在晶圆的背面，这样可以更轻松地在更小的节点尺寸上制造芯片，同时减小芯片尺寸、提高电源效率和性能。据报道，三星铸造厂已经在两个Arm芯片上测试了BSPDN技术，使这些芯片的芯片尺寸减小了10%和19%，同时性能和效率提高了最多9%，测试结果超过了公司的性能目标。
且三星对2nm工艺研发投入海量资源，在韩国华城的“S3”工厂快马加鞭地安装设备，构建2nm生产线，目标指向2025年第一季度达成每月7000片晶圆的产量，并计划在2025年末将“S3”工厂剩余的3nm生产线全面升级为2nm生产线，实现产能的迭代升级。
不仅如此，三星还前瞻布局，拟于2025年第二季度在韩国平泽的P2“S5”工厂启动1.4nm生产线建设，持续向制程工艺极限发起冲击。然而，三星在前行途中并非一帆风顺，3nm工艺的Exynos芯片生产延期、良品率问题如阴霾笼罩，给其带来不小压力。
并且，市场需求的波动也促使三星调整策略，推迟部分工厂的设备采购与建设订单，将部分生产线从晶圆代工转向存储器制造。
由于台积电2nm工艺成本高、产能有限，报道称，除了日本AI初创公司Preferred Networks(PFN)等现有客户外，三星还吸引了国内无晶圆厂公司的兴趣。此外，三星正在与英伟达和高通等大型科技公司合作测试2nm工艺，这些公司正在多元化其代工合作伙伴，三星预计将于2025年第一季度开始试产2nm工艺。
这并不是台积电和三星首次争夺高通订单，据悉三星自2020年起已失去高通部分骁龙旗舰芯片订单，其5nm良率也引发担忧。高通计划于2025年下半年发布的“骁龙8 Elite 2”将采用台积电的N3P工艺生产。三星曾参与竞标，但最终落败。业内人士称，这可能是三星代工业务的最后机会，目前该业务正面临数十亿美元的损失。
03 英特尔：紧随其后
曾在芯片制造领域独领风骚的英特尔，虽在先进制程的追逐中一度掉队，却凭借变革决心，强势重返2nm战场。英特尔祭出“四年内五个节点计划”，志在重振芯片制造的昔日辉煌。
在2nm技术路线上，英特尔精心规划，旗下的intel 18A（对标行业2nm水准）制程节点预计在2025年交付，率先应用于核心产品至强处理器，为数据中心等关键领域注入强劲动力。
英特尔在技术创新方面有诸多举措。其RibbonFET晶体管技术是对Gate All Around晶体管的创新应用。传统晶体管难以满足高性能需求，RibbonFET晶体管通过特殊结构设计，加快晶体管开关速度，缩短信号传输延迟，还能在较小空间实现强大驱动电流，兼顾芯片高性能与低功耗，为芯片性能提升开辟新途径。
此外，英特尔推出的PowerVia是业界首个背面电能传输网络。传统芯片供电、信号线路交织，随着集成度提高，信号干扰严重制约性能提升。PowerVia技术把电源线置于晶圆背面，分离供电、信号线路，减少信号干扰，提升芯片性能，让芯片在图形渲染、加密解密运算、多任务并行处理等工作中表现更佳。英特尔凭借自身在CPU领域的根基与全产业链整合优势，在2nm竞争格局中逐步站稳脚跟，向台积电、三星等对手发起挑战，试图改变行业格局。
去年9月，英特尔前任首席执行官帕特·基辛格已将亚马逊的AWS作为该公司制造业务的客户，其定制芯片工作将依赖于英特尔的18A工艺.此外，据英特尔临时联席CEO米歇尔・约翰斯顿・霍尔索斯在去年12月介绍，英特尔已经为一些客户提供了Panther Lake的E0工程样品，有8个客户已开机，硅晶圆质量很好。在1月6日的英特尔CES 2025演讲中，霍尔索斯还宣布首款Intel 18A制程芯片——英特尔Panther Lake处理器将于今年下半年发布，英特尔会在今年及以后继续增强AI PC产品组合，向客户提供领先的英特尔18A产品样品。
04 Rapidus：奋起直追
在2024年12月从ASML获得第一台EUV机器后，Rapidus计划于今年4月启用其在日本北海道千岁市兴建的首座2nm以下逻辑芯片工厂“IIM-1”的试产产线，并在2027年开始进行量产。鉴于日本是唯一获得ASML尖端硬件的国家之一，这被认为是日本半导体行业的革命性发展。
去年11月，日本政府宣布了一项为期七年的计划，在第一阶段拨款的约82亿美元（1.3万亿日元）中，有一部分已拨给Rapidus。截止去年年底，Rapidus已获得4645万美元（73亿日元）的私人投资和高达58.55亿美元（9200亿日元）的政府援助。然而，预计还需要254.52亿美元（4万亿日元）的额外资金才能在2027年启动量产。
且近日有报道称，Rapidus将与博通合作，力争量产2 nm尖端芯片，计划6月向博通提供试产芯片。消息称博通正评估Rapidus的2 nm芯片良率和性能，如果试产芯片符合其要求，将委托Rapidus生产相关高端芯片。
除了博通，Preferred Networks也委托Rapidus代工2 nm芯片，用于生成式AI处理；此外还有消息称Rapidus正与30至40家企业洽谈代工业务，目标是承接定制化的少量多品种半导体订单，与台积电的大规模生产模式形成差异化竞争。
当下，每一家企业的动向都牵动着全球半导体产业链的神经。随着技术的持续演进，成本的优化控制，客户需求的深度挖掘，以及各国政策的扶持引导，2nm工艺的发展远不止于当下的竞争局面。究竟谁能在这场马拉松式的竞赛中笑到最后？
