Konkurrenz um 2 nm

Der 2-nm-Herstellungsprozess ist ein Schlüsselschritt für die Fortsetzung des Moore'schen Gesetzes. Die Transistordichte steigt um 20 % bis 30 % gegenüber dem 3-nm-Prozess, und der Stromverbrauch sinkt um 25 % bis 30 % bei gleicher Leistung. Dies wird die Leistung von Endgeräten wie KI-Servern und Smartphones direkt vorantreiben.

Vor kurzem hat Samsung Electronics die Entwicklung der weltweit ersten 2-nm-Mobilplattform Exynos 2600 abgeschlossen und plant, die Massenproduktion dieses Chips Anfang September zu starten. Der Exynos 2600 wird in der Galaxy S26-Serie von High-End-Smartphones, die Anfang nächsten Jahres veröffentlicht wird, eingesetzt werden.

MediaTek hat am 16. September angekündigt, dass sein 2-nm-High-End-SoC das Design und die Herstellung des Prototyps abgeschlossen hat und Ende 2026 in die Massenproduktion gehen und auf den Markt kommen wird. MediaTeks SoC wird von TSMC hergestellt.

Die Branche geht davon aus, dass Apple ebenfalls 2026 einen Chip mit 2-nm-Prozess einführen wird, der ebenfalls von seinem "alten Partner" TSMC hergestellt werden wird.

Ab Ende 2025 rückt der 2-nm-Prozess immer näher.

Beim Wettlauf um fortschrittliche Herstellungsprozesse ist die Ausbeute der wichtigste entscheidende Faktor. Beim Wettlauf um den 2-nm-Prozess gibt es neben den traditionellen Spielern einen neuen Gegenspieler, nämlich das japanische Unternehmen Rapidus.

Kann der 2-nm-Prozess ein Wendepunkt bei der Chipherstellung werden?

Ständige Neuigkeiten über die 2-nm-Massenproduktion

In Bezug auf den Fortschritt der Massenproduktion geben die verschiedenen Auftragshersteller ständig Informationen über ihren Wettlauf preis.

Samsung Electronics plant, ab September Mitarbeiter einzusetzen und in der Tyler-Fabrik eine Auftragsherstellungsstraße aufzubauen. Die Ingenieure werden in zwei Batches eingesetzt, im September und November. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die für den Bau der Auftragsherstellungsstraße benötigten Geräte bestellt werden. Samsung Electronics plant auch, im zweiten Halbjahr 2025 mit der Produktion von 2-nm-Chips zu beginnen.

Nach Berichten nimmt TSMC seit dem 1. April 2025 Bestellungen für 2-nm-Chips entgegen. Da Apple seine Eigenentwicklung von Chips beschleunigt und sich dem 2-nm-Herstellungsprozess nähert, wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit sein, dass der im nächsten Jahr erscheinende A20 das erste Produkt sein wird, das den 2-nm-Herstellungsprozess von TSMC nutzt.

Als der unangefochtene Führer bei fortschrittlichen Herstellungsprozesse hat TSMC sich auf den Übergang des 2-nm-Prozesses zur Massenproduktion vorbereitet. Die P1-Fabrik in Hsinchu von TSMC hat die Vorproduktion abgeschlossen und mit der Massenproduktion begonnen. Die P2-Fabrik hat die Produktionsstraße aufgebaut. Die Gesamtmonatskapazität der beiden Fabriken beträgt 30.000 bis 35.000 Wafer. Die P1-Fabrik in Kaohsiung ist kürzlich in die Massenproduktion gegangen und hat eine Monatskapazität von 10.000 Wafern. Die P2-Fabrik wird voraussichtlich Ende des Jahres die Vorproduktion starten. Die Gesamtmonatskapazität der beiden Fabriken wird ungefähr 30.000 Wafer betragen. Die Monatskapazität der 2-nm-Produktionsstraßen der vier Fabriken wird 60.000 Wafer erreichen.

Das japanische "Rookie" Rapidus hat im Juli 2025 die erste 2-nm-GAA-Wafer-Prototyp hergestellt. Sein 2-nm-Chip basiert auf der ASML-Extreme-Ultraviolett(EUV)-Lithografieanlage und hat alle voreingestellten elektrischen Leistungsindikatoren des Knotenprozesses erreicht. Das Unternehmen hat angegeben, dass die Monatskapazität seiner IIM-1-Fabrik voraussichtlich 25.000 Wafer erreichen wird.

Analyse der 2-nm-Fähigkeiten

Schauen wir uns zunächst die technologischen Fähigkeiten an.

TSMCs N2-Serie nutzt die Nanosheet-Transistortechnologie (ein anderer Name für GAA) und die BSPDN (Backside Power Delivery Network)-Technologie, um die Leistung zu verbessern. TSMC setzt erstmals in seinen 2-nm-Chips die Ringgate-Transistorarchitektur ein, was einen wichtigen technologischen Wandel markiert. Im Vergleich zum derzeitigen 3-nm-Prozess wird der neue Knoten voraussichtlich eine Leistungssteigerung von 10 % bis 15 %, eine Stromverbrauchseinsparung von 25 % bis 30 % und eine Steigerung der Transistordichte von 15 % bieten.

Nach der Analyse der unabhängigen Agentur TechInsights hat der 2-nm-HD-Standardzelltransistor von TSMC eine erstaunliche Dichte von 313 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter (313 MTr/mm²) erreicht.

Samsung nutzt ebenfalls die GAA-Struktur und ist mit der BSPDN-Technologie ausgestattet. Darüber hinaus könnte Samsung Technologien wie 2D-Materialien und CPO (Co-Packaged Optics) einführen.

Rapidus' 2-nm-Chip wurde gemeinsam mit IBM entwickelt. (Als ein Unternehmen mit vielen Interessengruppen hat Rapidus reichhaltige technologische Ressourcen: Es hat die Grundlage für die 2-nm-Technologie durch die Zusammenarbeit mit IBM erhalten, die EUV-Lithografie-Technologie von der belgischen IMEC und die Nanoimprint-Technologie von Canon und Kioxia.) Auch Rapidus nutzt die GAA-Struktur, hat jedoch zwei verschiedene Gate-Reduktionsschicht (SLR)-Chip-Herstellungsprozesse eingeführt.

Nach den von dem japanischen Chiphersteller Rapidus geteilten Daten seines 2-nm-Spitzenknotens 2HP ergibt eine Anpassungsrechnung, dass die logische Dichte des Rapidus 2HP-Prozesses 237,31 MTr/mm² erreichen kann, was sehr nahe an der von TSMCs gleichaltrigem Prozess N2 mit 236,17 MTr/mm² liegt.

Vor der offiziellen Einführung von 2-nm-Produkten ist es schwierig, direkt zu entscheiden, wer den Überlegenheitskampf gewinnt, indem man die technologischen Ansätze wählt und anwendet. Aus dem obigen Vergleich kann jedoch auch gesehen werden, dass die technologischen Ansätze der drei Unternehmen ähnlich sind. Was die zukünftige Märkte entscheiden wird, ist, wer seine Dienstleistungen verkaufen kann.

Schauen wir uns die Kunden an.

TSMC hat bereits Bestellungen von Top-Kunden in der Tasche. Hauptkunden wie Apple, AMD, Qualcomm, MediaTek, Broadcom und Intel haben alle Bestellungen für 2-nm-Chips bei TSMC aufgegeben. Es wird erwartet, dass TSMC 2026 die Produktion für diese Kunden erheblich erhöhen wird. Bis 2027 werden auch mehr als ein Dutzend Unternehmen wie Annapurna Labs von Amazon Web Services, Google, Marvell und Bitmain in die Massenproduktion gehen.

TSMC hat den Preis für seinen 2-nm-Prozess auf das höchste Niveau der Branche festgelegt, nämlich 30.000 US-Dollar, was 50 % bis 66 % höher ist als der Preis für 3-nm-Wafer. TSMC weigert sich auch, über den Preis zu verhandeln. Beobachter meinen, dass TSMCs Preisstrategie darin besteht, die Nachfrage bewusst zu kontrollieren, wenn die Kapazität begrenzt ist. Im Wesentlichen wird den Kunden ermutigt, um die begrenzten Produktionszeiten zu konkurrieren.

Samsung: Die neuesten Nachrichten zeigen, dass Elon Musk mit Samsung Electronics zusammenarbeiten wird, um KI-Chips zu entwickeln. Für Samsung Electronics wird der Exynos 2600 zur "besten Werbung" für seinen Auftragsherstellungsgeschäft werden. Südkoreanische Medien haben angegeben, dass die Ergebnisse des Geekbench 6-Benchmarktests des Exynos 2600 fast mit denen des Qualcomm Snapdragon 8 Elite Gen 2 übereinstimmen. Es wird auch erwartet, dass der Exynos 2600 ein Hot Path Block (HPB)-Modul erhalten wird, um das seit langem bestehende Wärmeproblem zu lösen und gleichzeitig die Effizienz und Stabilität zu verbessern.

Bei der Kundenakquise scheint Rapidus am ungünstigsten gestellt zu sein. Glücklicherweise hat es jedoch eine Vielzahl von "Aktionären", und es ist nicht unmöglich, über die Sechs-Degrees-of-Separation-Regel an große Kunden zu gelangen. Im Januar 2025 hat Rapidus angekündigt, dass es mit Broadcom zusammenarbeiten wird, um 2-nm-Chipprodukte herzustellen. Es plant, im Juni Prototype-Chips an Broadcom zu liefern. (Im September scheint es jedoch noch keine Nachrichten über Broadcoms 2-nm-Produkte im Internet zu geben.) Darüber hinaus werden die japanischen KI-Unternehmen Preferred Networks und Sakura Internet ebenfalls seine Kunden werden. Einige Medien haben angegeben, dass Jensen Huang auch angedeutet hat, Rapidus für die Auftragsherstellung in Betracht zu ziehen. Seine genaue Aussage war jedoch "Versorgungsdiversifizierung", und diese "Andeutung" könnte eine Überinterpretation sein.

Rapidus plant jedoch auch nicht, sich direkt mit TSMC um die Massenproduktion von Standardprodukten zu konkurrieren, sondern konzentriert sich auf den Markt für spezielle Chips und will sich in aufstrebenden Bereichen wie Robotik, Autonomem Fahren und Telemedizin etablieren.

Schauen wir uns nun die Dienstleistungen an.

TSMC wird beim 2-nm-Prozessknoten einen Service namens "CyberShuttle" anbieten, der es Kunden ermöglicht, Chips auf demselben Testwafer zu evaluieren. Dies spart einerseits den Kunden erhebliche Design- und Maskenkosten und beschleunigt andererseits die Testproduktion.

Samsung Electronics' Strategie, Bestellungen zu gewinnen, ist klar: Zunächst gewinnt es Geschäfte mit niedrigen Preisen und verbessert dann die Ausbeute. Sobald es Kunden mit wettbewerbsfähigen Preisen und einem flexiblen Produktionsmodell bindet, kann es die Ausbeute schrittweise verbessern. Schließlich kann man die Ausbeute nicht direkt verbessern, wenn man keine umfangreichen praktischen Produktionserfahrungen hat.

Rapidus möchte sich durch Produktionsflexibilität abheben. Rapidus hat das Konzept des Einzelwafer-Prozesses entwickelt: Der Zeitraum von der Konzeption bis zur Fertigstellung des Wafers kann auf 50 Tage verkürzt werden (der herkömmliche Batch-Einzelwafer-Mischprozess dauert normalerweise etwa 120 Tage). Um den dringenden Bedarf an bestimmten Produkten zu befriedigen, hat Rapidus ein Standardlieferzeitfenster von 50 Tagen festgelegt und hat zugesichert, dass es bei dem 2-nm-Knoten eine Lieferung von Wafern innerhalb von 15 Tagen gewährleisten wird.

Marktpotenzial des 2-nm-Prozesses

Ben Bajarin, CEO des Forschungsunternehmens Creative Strategies, hat zuvor darauf hingewiesen, dass der Preis für 3-nm-Wafer, die TSMC an Apple liefert, auf 18.000 US-Dollar pro Stück gestiegen ist, was eine Verdreifachung im Vergleich zum Preis vor zehn Jahren darstellt. Der höhere Preis für 2-nm-Chips unterstreicht die Seltenheit und den steigenden Marktwert von Spitzen-Herstellungstechnologien. Es wird erwartet, dass die KI-Anwendungen und die aufstrebenden KI-Datenzentren ein enormes Wachstum verzeichnen werden, und mit dem daraus resultierenden Stromverbrauch wird die Nachfrage nach 2-nm-Chips sehr hoch sein.

Marvell hat behauptet, dass sein kundenspezifischer SRAM der erste 2-nm-kundenspezifische SRAM der Branche ist. Er soll die Leistung der Speicherschicht in der Beschleunigungsinfrastruktur verbessern und einen Hochgeschwindigkeitsspeicher von bis zu 6 Gbit bieten, um die Leistung von kundenspezifischen XPU (Prozessoren, Beschleunigern, GPU) und Geräten zu verbessern. Darüber hinaus kann er bei gleicher Dichte den Speicherstromverbrauch und die Chipfläche erheblich reduzieren.

Der SRAM dieses Unternehmens verbraucht 66 % weniger Strom als ein Standard-SRAM auf Chip mit ähnlicher Dichte und hat eine Betriebsfrequenz von bis zu 3,75 GHz, was ein Schlüsselindikator für die Energiebilanz und die effektive Kühlung von Komponenten in KI-Clustern und Datenzentren ist.

Durch die 2-nm-Technologie kann der SRAM mit dem Logikchip auf demselben Chip integriert werden. Quelle: Marvell Technology

Die Gewinner im Hintergrund

Im Wettlauf um fortschrittliche Herstellungsprozesse darf man den Gewinner im Hintergrund, nämlich ASML, nicht außer Acht lassen.

TSMC hat im zweiten Halbjahr 2024 hochauflösende EUV-Geräte eingeführt, um seinen 2-nm-Herstellungsprozess voranzutreiben. Der 2-nm-Prozess wird die Bereitstellung von EUV-Systemen mit hoher numerischer Apertur weiter ausweiten, um in der Sub-2-nm-Ära wettbewerbsfähig zu bleiben. Diese Geräte werden ausschließlich von ASML hergestellt und unterliegen den niederländischen Exportkontrollen. Die jährliche Produktion beträgt nur fünf bis sechs Geräte, was ihre Seltenheit und strategische Wichtigkeit unterstreicht.

Die Kosten für jedes EUV-Gerät mit hoher numerischer Apertur betragen über 350 Millionen US-Dollar, was mehr als doppelt so viel ist wie der Preis für die bestehenden EUV-Systeme (etwa 150 Millionen US-Dollar). Diese neuen Geräte erhöhen jedoch die numerische Apertur der Linse von 0,33 auf 0,55, was es ermöglicht, ultrafeine Schaltungsmuster unter 2 nm zu realisieren und gleichzeitig die Ausbeute zu erhöhen und die Fehlerrate in der Halbleiterproduktion zu senken.

Branchenanalysen zeigen, dass die Ausbeute von Samsungs 2-nm-Vorproduktion derzeit zwischen 30 % und 50 % liegt, was hinter TSMCs Ausbeute von über 60 % zurückbleibt. Samsung hofft, durch die Erweiterung seiner Flotte von hochau