2纳米先进制程芯片的机会与挑战

近期，日本芯片制造商Rapidus在其官网上发表了一篇以《2纳米半导体挑战：探索Rapidus的技术突破》为主题的文章，介绍了2纳米芯片在AI时代的必要性，以及Rapidus的相应布局。

Rapidus指出，2纳米芯片有望比7纳米和5纳米等早期节点带来显著提升。根据IBM 2021年关于2纳米原型芯片的数据显示，与7纳米芯片相比，2纳米芯片的性能可提高45%，功耗可降低75%。虽然FinFET能够扩展到3纳米时代，但它们也面临着在更小尺寸下漏电增加的局限性，环栅（GAA）晶体管应运而生。它们使用纳米片或纳米线作为沟道，完全被栅极包围，进一步改善了控制并抑制了漏电，使晶体管尺寸更小，同时仍能实现更高的性能。IBM的原型采用三层硅纳米片GAA结构，在性能和效率方面均超越了FinFET技术。

基于以上技术优势，Rapidus认为2纳米节点对人工智能和物联网尤为重要。人工智能工作负载需要极高的计算性能和能效，因此能够满足这些需求的半导体成为关键。2纳米芯片在提供所需处理能力的同时，还保持了高能效，是人工智能服务器和边缘设备的理想选择。对于拥有数十亿个小型且通常由电池供电的物联网设备而言，2纳米技术可以让先进的人工智能在本地运行而不会消耗大量电量。

然而，2纳米也带来了巨大的挑战。可变性和良率控制变得更加困难，而且EUV光刻机价格极其昂贵，全球只有少数几家公司能够负担得起这种级别的生产。然而，即使面临这些挑战，2纳米仍将成为下一代数字基础设施的基石。

总部位于日本的Rapidus成立于2022年，目标是在未来几年内实现2纳米节点制程的量产。因此，Rapidus与IBM合作，正致力于2纳米制程的研发与推进。2023年和2024年，超过150名工程师被派往纽约州，接受下一代工艺技术培训。目前，约有80名工程师已返回日本，致力于芯片原型制造流程的最佳化。

2025年4月，Rapidus在位于北海道千岁的创新制造整合（IIM-1）晶圆厂启动了试验生产线，计划于当年稍后进行样品生产，并计划于2027年进行量产。Rapidus的全新IIM-1代工厂代表了对传统代工模式的重大改进，也重新构想晶圆厂如何通过尖端方法和技术实时思考、学习、调整和优化制程。

今年7月，媒体报道，Rapidus宣布其在2纳米先进制程的推进上已取得实质性进展。该公司已成功在IIM-1工厂完成2纳米全环栅（GAA）晶体管芯片的原型制造，并完成了首批测试晶圆的电学特性测试，标志着其向2纳米量产目标迈出了关键一步。