英特尔宣布2024年首季起，制造部门将独立营运，全力冲刺代工业务，三星电子前段时间发布第二代3nm工艺，两大巨头都想和台积电一争高下。而台积电这边，始终维持领先，2nm订单已经开始和客户洽谈。


2nm晶圆厂竞争加入一匹黑马

9月1日，Rapidus在北海道的IIM-1晶圆工厂破土动工，并将开启新一轮招聘潮。

Rapidus是一家由日本政府支持的晶圆代工厂，成立于一年多前，旨在与台积电、三星电子和英特尔等业内领先企业竞争。该公司的目标是：于2025年初开始试产，并到2027年以2纳米制程技术为基础批量生产芯片。

在IIM-1新工厂奠基仪式上，该公司透露，他们已经雇佣了200多名员工，以使该工厂能够如期上线。

Rapidus此次表示，计划在2024年12月安装芯片设备，并开始测试生产，目标是在四年内批量生产2纳米芯片。

Rapidus公司总裁Atsuyoshi Koike在仪式后的发布会上称，在海外合作伙伴和国内设备制造商的支持下，这一目标“虽艰巨但可行”。他同时补充道，“这是千年一遇的机会。这样的机会不会再来了。”

Rapidus与台积电和三星竞争并不容易。后者两家公司的晶圆厂已经在生产基于各自3nm工艺节点的芯片，预计将于2025年开始将2nm工艺技术推向市场。

此前报道称，岸田文雄政府已承诺向Rapidus提供数十亿美元的补贴，以支持日本国内芯片生产，帮助日本重新获得半导体领域的领导地位。


2nm报价接近2.5万美元

据台媒电子时报报道，有IC设计业者表示，台积电不仅3纳米大单几乎通吃，2纳米也开始展开合作洽谈。价格方面，尽管半导体产业处于逆风，台积电仍强势再涨，进入7纳米以下先进制程世代后，晶圆代工报价其实愈来愈贵。

IC设计业者表示，台积电3纳米价格维持2万美元上下， 2纳米价格逼近2.5万美元，计划2025年量产。5/4纳米约1.6万美元，7/6纳米每片晶圆报价翻倍冲上近1万美元。

IC设计业者透露，由于三星、英特尔数年内难以弯道超车，芯片业者几乎只能在台积电投片，在供货与议价上居于下风，能有折扣优惠的是最大客户苹果，或是规模够大的订单。

有业内人士表示，进入7nm制程节点后，先进工艺的报价就越来越高，台积电6/7nm代工价接近1万美元，4/5nm代工价约1.6万美元，3nm代工价更是达到了2万美元，而且能拿到折扣优惠的除了最大客户苹果，只有个别订单规模足够大的厂商。虽然不断传出良品率和效能问题，不过台积电有着供货和议价的优势，许多IC设计公司最终也只能“闭眼下单”。目前有足够资金和产品需求在2/3nm制程节点下单的客户越来越少，且这些客户都与台积电建立了长期合作关系。

按照台积电的时间表，N2工艺预计在2024年末做好风险生产的准备，并在2025年末进入大批量生产，客户在2026年就能收到首批2nm芯片。与3nm制程节点一样，预计台积电同样会拿下大部分大型芯片设计公司的订单，从2024年起迎来新一波增长。

有IC设计从业人员称，台积电代工报价不断创新高，加上通货膨胀的压力等因素，这些成本都会转嫁到下游客户，反映在终端设备的价格上。近年来，包括苹果iPhone和英伟达GPU等各种新品的价格不断提升，这种高定价的策略已经很难回头。


先进制程芯片成本为啥这么贵？

根据芯片的制造流程，可以分为主产业链和支撑产业链：主产业链包括芯片设计、制造和封测；支撑产业链包括IP、EDA、装备和材料等。其中，高昂的成本主要由人力与研发费用、流片费用、IP和EDA工具授权费等几部分组成。同时芯片制造环节涉及到的晶圆厂投资、晶圆制造以及相关设备成本也将会分摊到芯片整体成本之中。工艺制程越先进，成本更是随之提高。


晶圆代工成本

根据CEST的模型，在5nm节点上构建的单个300mm晶圆的成本约为16988美元，在7nm节点上构建的类似晶圆成本为9346美元。可以看到，相同尺寸晶圆，5nm工艺节点相比7nm每片晶圆代工售价高7000多美元。

从中可以推断出，在3nm节点上构建的晶圆成本或将达到3万美元左右，晶圆代工成本将进一步提高。

另一组数据也对此进行了印证，成本价格在很大程度上取决于芯片制程和晶圆尺寸的不同。IC Insights提供的数据显示，每片0.5µ 200mm晶圆代工收入（370美元）与≤20nm 300mm晶圆的代工收入（6050美元）之间相差超过16倍。即使同样是在300mm晶圆尺寸下，≤20nm 相比28nm工艺，成本相差也达到一倍。

可见，随着工艺节点的提升，晶圆代工成本随之大幅度提升。

此外，除了晶圆厂建设和代工费用，晶圆制造厂商的日常运营投入也不低（当然，此部分已经均摊到了代工成本里面）。

台积电企业社会责任报告书中的数据显示，2019年台积电全球能源消耗量达到143.3亿度，作为对比，2019年深圳市1343.88万常住人口的全年居民用电为146.64亿度。由此可见，台积电一年消耗的电量有多么巨大。

而且，精度越高的工艺，或精度越高的光刻设备，所需电量还会成正比增长。据台媒报道，以5nm为例，台积电5nm芯片大规模量产之际，公司单位产品用电量相比2019年上涨了17.9%。

掩膜（Mask）成本

掩膜版又称光罩、光掩膜等，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，其功能类似于传统照相机的“底片”，根据客户所需要的图形，通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上，是承载图形设计和工艺技术等内容的载体。

据IBS数据显示，在16/14nm制程中，所用掩膜成本在500万美元左右，到7nm制程时，掩膜成本迅速升至1500万美元。

又从台积电（IEDM 2019）了解到，从10nm到5nm，随着EUV光刻技术的应用，掩膜使用数量有所减少，5nm与10nm制程中掩膜使用数量相差不多。

但是，在掩膜数量基本持平的情况下，更先进的制程工艺使得掩膜总成本提升，能侧面反映出掩膜平均成本在不断升高。

再反映到芯片成本上，每片CPU的掩膜成本等于掩膜总成本/总产量。如果总体产量小，芯片的成本会因为掩膜成本而较高；如果产量足够大，比如每年出货以亿计，掩膜成本被巨大的产量分摊，可以使每块CPU的掩膜成本大幅降低，使拥有“更贵的制程工艺+更大的产量”属性的CPU，比“便宜的制程工艺+较小的产量”的CPU成本更低。

可以预见，到3nm时，掩膜成本预计将会再度攀升，进一步增加芯片成本。


EUV光刻机

光刻机作为芯片制造阶段最核心的设备之一，负责“雕刻”电路图案，其精度决定了制程的精度，其原理是把设计好的芯片图案印在掩膜上，接着用激光光束穿过印着图案的掩膜和光学镜片，将芯片图案曝光在带有光刻胶涂层的硅片上，最终将掩膜上的图案转移到芯片光刻胶涂层上。

随着工艺制程的发展，到7nm及更先进的技术节点时，需要波长更短的极紫外（EUV）光刻技术来实现更小的制程。荷兰ASML是全球唯一有能力制造EUV光刻机的厂商。

台积电在7nm+时引入了EUV设备，但层数相对有限；6nm增加了EUV层并优化了PDK（工艺设计工具包）；5nm具有完全EUV能力。随着芯片面向3nm及更先进的工艺，芯片制造商将需要一种高数值孔径EUV（high-NA EUV）的EUV光刻新技术。据ASML财报显示，他们正在研发采用high-NA技术的下一代EUV光刻机，有更高的数值孔径、分辨率和覆盖能力，较当前的EUV光刻机将提高70%。

但EUV光刻机的价格一直以来十分昂贵，2018年，中芯国际和ASML签订了订购协议，以1.2亿美元的价格订购了一台EUV光刻机。这一价格与PHOTRONICS披露的EUV光刻机价格基本吻合。

从ASML最新公布的2021年第二季度财报来看，截止2021年7月4日，ASML今年出货EUV光刻机16台，销售额达到24.561亿欧元，平均每台EUV光刻机价格高达1.535亿欧元。

再结合ASML历年（2018/2019/2020三年）财报数据，能够看到ASML的EUV光刻机单从1.045亿欧元到1.44亿欧元，价格逐年攀升。

一台EUV光刻机售价超过1亿美元，而且还相当不好买。ASML每推出一代EUV光刻机，新设备的生产能力在稳步提升，但价格自然更高。据披露，ASML第二代EUV光刻机将会是NXE:5000系列，进一步提高光刻精度，原计划2023年问世，现推迟到2025-2026年，而价格预计将突破3亿美元。

当然，除了价格最贵的EUV光刻机之外，沉积、刻蚀、清洗、封装等环节所采用的设备和材料也价格不菲，且成本都在随着工艺制程向前发展不断提高。


研发&人力成本

先进制程不仅需要巨额的建设成本，高昂的研发和人力费用也提高了设计企业的门槛。

芯片设计包含电路设计、版图设计和光罩制作等，需要考虑多方面因素和知识结构。以大家较为熟悉的5G SoC为例，行业厂商能够集成自研的独立AI处理单元APU，多模通讯基带、相机ISP、各种控制开关、微核等多个自研模块。这部分成本很难具体估算，属于长期的研发成果，但投入力度从人力成本中可见一斑。

人力成本是研发成本的重要部分，项目开发效率和质量与工程师数量和水平相关，国内资深芯片设计工程师年薪一般在50-100万元之间。据了解，赛灵思在研发代号Everest的7nm工艺的FPGA芯片时提到，费时4年，动用了1500名工程师才开发成功，项目耗资超过10亿美元。FPGA芯片已经如此，更复杂的高端CPU、GPU芯片所需要的投资更是巨额数字，英伟达开发Xavier动用了2000个工程师，开发费用已达20亿美金。

芯片的开发成本取决于芯片尺寸、芯片类型等，有业内人士表示，最昂贵的设计（例如某些高端 CPU）比IBS提供的数据要高，但其他设计（例如某些ASIC）则要比IBS数据低得多。综合来看，随着芯片设计种类和形态千差万别，且正在不断发生变化，难以预测其具体成本。

另一方面，晶体管架构转向GAA，也在增加芯片成本。

当前随着深宽比不断拉高，FinFET逼近物理极限，为了制造出密度更高的芯片，环绕式栅极晶体管（GAAFET）成为新的技术选择。因此，晶体管结构从FinFET走向GAA，成为摩尔定律续命的关键。

三星、台积电、英特尔均引入GAA技术的研究，其中三星已经先一步将GAA用于3nm芯片设计。然而GAA当下还面临包括n/p不平衡、底部板的有效性、内部间隔、栅极长度控制和器件覆盖等在内的各种挑战。

在科技变革的过程中，新的技术需要更多时间来开发，在各环节需要新的技术和设备，这一切都在加大芯片开发的成本。


EDA成本

EDA涵盖了集成电路设计、验证和仿真等所有流程，芯片的用途、规格、特性、制成工艺几乎全都在这个阶段完成。利用EDA工具可设计得到极其复杂的电路图，从而制造出功能强大的芯片。

根据ESD Alliance数据显示，2020年EDA全球市场规模114.67亿美元，相对于几千亿美元的芯片市场来说占比较小，但EDA对芯片设计的效率和成本都起着至关重要的作用。

EDA是一个市场规模虽然小但技术流程很长的产业，需要种类繁多的软硬件工具相互配合从而形成工具链，以EDA巨头Synopsys为例，其完整覆盖芯片全设计流程的工具链号称有500多种。从Synopsys和Cadence的财报来看，2020年营收分别为36.9、26.8亿美元，两家公司每年花费在研发上的投入达到35%以上，Synopsys的研发费用更是达到惊人的十亿美金级别，EDA 软件的研发成本正在加速提升。

根据Synopsys 最新财报来数据，2021年第二季度营收10.243亿美元，半导体和系统设计，包括EDA工具、IP产品、系统集成解决方案和相关服务；软件完整性，包括用于软件开发的安全和质量解决方案等。EDA营收达到5.876亿美元，占比在57%左右。

据网上数据，20人的研发团队设计一款芯片所需要的EDA工具采购费用在100万美元／年（包括EDA和LPDDR等IP购买成本）。从EDA的行业属性及高昂的研发投入能够预测，待到3nm制程时，EDA工具授权费自然更是不菲。

IP授权成本

半导体IP是指在集成电路设计中那些已验证、可复用、具有某种确定功能和自主知识产权功能的设计模块，芯片公司可以通过购买IP实现某个特定功能（例如ARM的Cortex系列CPU、Mali系列GPU IP授权等，其他小的模块也要购买，如音视频编解码器、DSP、NPU...等），这种类似“搭积木”的开发模式可大大缩短芯片的开发周期，在降低芯片设计难度的同时提高性能和可靠性。

芯片设计主要由于芯片核心的底层架构（知识产权和技术壁垒）被掌握在少数厂商手中，专利费可能达到设计成本的50%以上。据了解，ARM在过去通常要求客户选择一种特定的芯片设计方案，并预先为其支付授权许可费。这种模式一般都需要厂商一次性花费数百万美元才能被允许使用（具体金额取决于所授权技术的复杂程度，通常在100万美元到1000万美元之间），同时在芯片投产之后再以芯片最终售价的1%-3%向IP厂商支付版税。

另一方面，根据Synopsys和Cadence业绩数据，Synopsys公司IP和系统集成部份营收占比从2017年的28%提升至2020年的33%，达到1202.6万美元；Cadence公司IP部分占比从2016年的11%提升至2020年的 14%。

可见，IP作为技术含量最高的价值节点，随着芯片制程越来越先进，芯片价格的提升，IP研发难度和授权费用也将随之升高。


2024~2025年，四大厂商决战2纳米

目前在2nm芯片上竞争的厂商主要是台积电、三星、英特尔、Rapidus四家，从量产时间点看，决战2纳米就在2024~2025年。

台积电方面，近日其组建了2nm任务团冲刺2nm试产及量产，预计可在明年实现风险性试产，并与2025年量产。此前台积电中科2nm厂延期，台积电直接将高雄厂切入2nm，组建团队冲刺量产也是看到了目前2nm在人工智能风口下的商机。

苹果及英伟达等芯片大厂都对台积电2nm制程保持关注，此前黄仁勋曾表态，未来新一代服务器芯片将会全面采用台积电2nm制程。而其他竞争厂商也都于今年在2nm项目上摩拳擦掌。台积电自然不会轻易让出在2nm的话语权，目前台积电2nm节点改用GAA纳米片晶体管架构，在N2的良率和性能上都取得了“扎实的进展”，并预计2025年投入生产时，在相同功率下速度将比N3E提高15%，或者在相同速度下功耗最多可降低30%。如果进展顺利，苹果和英伟达将成为台积电2nm的首批客户。

三星同样不甘示弱，在今年的第7届三星晶圆代工论坛上，三星官宣将于2025年实现应用在移动领域2nm工艺的量产，于2026和2027分别扩展到HPC及汽车电子。

这不是三星首次对外公布2nm计划，此前三星半导体业务总裁Kyung Kye-hyun也曾公开表示以下观点，“三星将在2nm工艺中赶超台积电成为客户的首选”，“三星将2nm工艺视为超越台积电重返领先先进制程地位的关键”。

三星有如此底气的原因在于其在GAA技术有着扎实的积累。此前三星先进制程已经受制于良率较低，今年年中以后，业界传来消息，三星4nm良率水平追平台积电，3nm良率提至60%以上。并且以后还将更高。由此看三星实力不可小觑。根据三星的评估，2nm工艺比目前的3nm工艺，面积将减少5%、性能提高12%、功效提高25%。

英特尔方面，其中国区总裁兼董事长王锐在今年三月的一次活动中表示，公司已完成Intel 18A（1.8nm）和Intel 20A（2nm） 制造工艺的开发。其中，Intel 20A计划于2024年上半年投入使用，进展良好的Intel 18A制造技术也将提前到2024年下半年进入大批量制造（HVM）。

在先进制程领域声势浩大的Rapidus公司则在今年9月再发出好消息，9月1日，Rapidus在北海道千岁市工业园区——千岁美美世界举行了2nm芯片研发/生产据点千岁工厂「IIM-1（第1栋厂房）」的动工仪式。

Rapidus指出，IIM-1将成为日本国内首座2nm以下最先进逻辑芯片的生产据点，其9月开始进行兴建工程，试产产线计划在2025年4月启用、2027年开始进行量产。Rapidus表示，已派遣该公司研究人员至全球最先进的半导体研究中心之一、位于纽约州阿尔巴尼（Albany）的“Albany NanoTech Complex”，藉由和IBM合作、推动2nm逻辑芯片生产相关技术的研发，且也计划在比利时半导体研发机构imec学习生产最先进芯片所不可或缺的EUV微影设备技术。客户方面，Rapidus社长小池淳义表示‘正和对2nm有兴趣的客户进行协商’。