2021年臺(tái)積電總營收為15874.2億新臺(tái)幣(約合人民幣3658.3億元)，其中，5納米和7納米合計(jì)營收占總營收50%，可以說扛起了臺(tái)積電營收的半壁江山。

　　然而，隨著高性能計(jì)算需求的增加，芯片制程的戰(zhàn)火也逐漸從5nm蔓延到了3nm。3nm爭奪戰(zhàn)的“槍聲”已經(jīng)打響。

　　一、設(shè)計(jì)企業(yè)的“產(chǎn)能之爭”

　　當(dāng)前芯片已經(jīng)來到了先進(jìn)制程時(shí)代，鑒于能采用先進(jìn)制程的代工廠只有臺(tái)積電和三星兩家，而需要先進(jìn)制程工藝的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)卻有英特爾、蘋果、高通、AMD、英偉達(dá)等數(shù)家，實(shí)打?qū)嵦幱凇吧嗳馍佟钡木置?。?duì)芯片企業(yè)來說，芯片工藝的比拼其實(shí)就是產(chǎn)品性能的比拼，為了不輸給對(duì)手，芯片企業(yè)不得不開始上演一場“產(chǎn)能爭奪戰(zhàn)”。

　　從已經(jīng)量產(chǎn)的5nm來看，業(yè)界傳聞?dòng)ミ_(dá)上個(gè)季度向臺(tái)積電支付了 16.4 億美元以保留其在 5nm中的份額，另外 17.9 億美元將在 2022 年第一季度支付。據(jù)悉，英偉達(dá)將花費(fèi)近 100 億美元來確保其為 RTX 4080、4090 及其 40 系列提供 5nm 的芯片供應(yīng)。

　　對(duì)于一個(gè)量產(chǎn)近2年，可以稱得上是穩(wěn)定良率的制程，英偉達(dá)都要斥百億美元的巨資確保產(chǎn)能，可想而知，面對(duì)一個(gè)全新的制程，廠商的競爭只會(huì)更激烈，這決定著誰會(huì)是全球首款3納米芯片。

　　目前來看，英特爾、蘋果、高通、AMD等都已加入戰(zhàn)局。

　　英特爾

　　雖然英特爾是IDM企業(yè)，但目前他在先進(jìn)制程方面離3nm仍有距離。在2022年投資者大會(huì)上，英特爾曾表示Intel 4也就是7nm預(yù)計(jì)在2022年下半年投產(chǎn);Intel 3(第二代7nm)預(yù)計(jì)在2023年下半年投產(chǎn);Intel 20A(5nm)將于2024年投產(chǎn);Intel 18A(第二代5nm)預(yù)計(jì)在2025年投產(chǎn)。

　　換句話說，英特爾的3nm還遙遙無期，但技術(shù)競爭并不會(huì)給英特爾喘息時(shí)間，此前由于英特爾無法按時(shí)生產(chǎn)7nm，導(dǎo)致AMD在CPU技術(shù)上領(lǐng)先，為了重返霸主寶座，英特爾必須爭3nm。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，英特爾成為了臺(tái)積電3nm 產(chǎn)能的競爭者之一，與蘋果分庭抗禮。

　　去年有消息稱，英特爾擠掉蘋果成為臺(tái)積電3nm工藝首批客戶，主要生產(chǎn)其下一代處理器和圖形產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)的供應(yīng)鏈指出，英特爾下給臺(tái)積電的產(chǎn)品包括一顆圖形處理器及三個(gè)服務(wù)器處理器，首批數(shù)量約4000片，預(yù)計(jì)2022年5月正式產(chǎn)出交貨，7月放量生產(chǎn)。

　　據(jù)業(yè)界報(bào)道，為了爭搶產(chǎn)能，去年12月，英特爾CEO基爾辛格曾乘坐私人專機(jī)訪臺(tái)，希望爭取到未來2～3年更多臺(tái)積電先進(jìn)工藝產(chǎn)能，涵蓋制程包括7nm及優(yōu)化后的6nm、5nm及優(yōu)化后的4nm、以及3nm等。當(dāng)時(shí)傳言指出，對(duì)于3nm工藝，英特爾提出希望能與蘋果一樣，臺(tái)積電能夠?yàn)橛⑻貭柦ㄔ煲粭l3nm產(chǎn)能特供專線。

　　一個(gè)月后，也就是2022年1月，就有消息傳出臺(tái)積電計(jì)劃在其中國臺(tái)灣北部的新生產(chǎn)基地專門開辟新產(chǎn)線為英特爾生產(chǎn)3納米芯片，該生產(chǎn)基地位于新竹市寶山區(qū)。該消息人士稱，英特爾希望臺(tái)積電利用3nm制造工藝，為其生產(chǎn)CPU和GPU的零部件。

　　從上述來看，英特爾在爭3nm產(chǎn)能中是打了一場漂亮的仗。

　　蘋果

　　在此前發(fā)布的芯片線路圖中，蘋果預(yù)期在2023年發(fā)布基于3nm的第三代M系列芯片，并選擇由臺(tái)積電代工。

　　2020年時(shí)候，關(guān)于臺(tái)積電3nm產(chǎn)能的新聞還都是“蘋果是第一個(gè)和臺(tái)積電簽約3nm制程產(chǎn)能的廠商”、“全是蘋果的，臺(tái)積電3nm首批產(chǎn)能，iPhone全包”諸如此類，但計(jì)劃永遠(yuǎn)趕不上變化，到了2021年下半年，英特爾的“橫插一腳”讓蘋果失去了臺(tái)積電3nm“獨(dú)寵”的資格。

　　作為臺(tái)積電十年老客戶且還是最大的客戶，蘋果擁有的3nm產(chǎn)能應(yīng)該不會(huì)少到哪里去，目前來看，為了臺(tái)積電的3nm產(chǎn)能，蘋果已經(jīng)預(yù)付了大量的款項(xiàng)。但在4nm方面，蘋果曾不得不接受臺(tái)積電的漲價(jià)(但漲幅將低于其它先進(jìn)制程客戶)以確保產(chǎn)能，并包下12萬片-15萬片4nm產(chǎn)能(2022年平均價(jià)格約較2021年上漲8%-10%)，到了3nm階段，多少可能也會(huì)“歷史再現(xiàn)”。

　　高通

　　去年12月曾有消息稱高通有意導(dǎo)入三星 3nm 制程，但從最近的消息來看，情勢(shì)可能生變。據(jù)韓媒報(bào)道，高通據(jù)稱已將3nm AP處理器的訂單交給臺(tái)積電，將于明年推出，而造成訂單轉(zhuǎn)移的原因在于，三星的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)面臨產(chǎn)量問題。

　　高通也是臺(tái)積電的重量級(jí)客戶，此前有意將3nm訂單交于三星也是因?yàn)闋幉贿^蘋果在臺(tái)積電的地位，為了確保足夠的產(chǎn)能才轉(zhuǎn)向三星，如今再傳出將訂單交給臺(tái)積電說到底也是因?yàn)閾?dān)心三星產(chǎn)量問題。

　　AMD

　　據(jù)臺(tái)媒《工商時(shí)報(bào)》去年5月報(bào)道，AMD 已向臺(tái)積電預(yù)訂2022及后兩年 5nm 及 3nm 產(chǎn)能，預(yù)計(jì) 2022 年推出 5nm Zen 4 架構(gòu)處理器，2023年~2024 年間將推出 3nm Zen 5 架構(gòu)處理器。不過和高通一樣，AMD也曾傳出了因?yàn)楫a(chǎn)能問題試圖轉(zhuǎn)單三星的消息，由此看出，3nm產(chǎn)能不夠可能將成為臺(tái)積電損失客戶的“原罪”。

　　從當(dāng)前的局勢(shì)來看，隨著本土GPU、DPU廠商的崛起，未來會(huì)有越來越多企業(yè)加入3nm的產(chǎn)能爭奪戰(zhàn)之中，屆時(shí)局面相比當(dāng)下或許會(huì)更加熱鬧。

　　二、代工廠的“3nm之戰(zhàn)”

　　在芯片設(shè)計(jì)企業(yè)還在為產(chǎn)能“明爭暗斗”的時(shí)候，晶圓制造領(lǐng)域又是另外一番景象。對(duì)晶圓制造廠來說，眼下更重要的是3nm的突破。誰率先量產(chǎn)了3nm，誰就將占領(lǐng)未來晶圓制造產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，甚至還會(huì)影響AMD、英偉達(dá)等芯片巨頭的產(chǎn)品路線圖。

　　毫無疑問，在3nm這個(gè)節(jié)點(diǎn)，目前能一決雌雄的只有臺(tái)積電和三星，但英特爾顯然也在往先進(jìn)制程方面發(fā)力。不過從近日的消息來看，臺(tái)積電和三星兩家企業(yè)在量產(chǎn)3nm這件事上進(jìn)行的都頗為坎坷。Gartner 分析師 Samuel Wang表示，3nm 的斜坡將比之前的節(jié)點(diǎn)花費(fèi)更長的時(shí)間。

　　臺(tái)積電

　　近日，一份引用半導(dǎo)體行業(yè)消息來源的報(bào)告表明，據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電在其 3nm 工藝良率方面存在困難。消息來源報(bào)告的關(guān)鍵傳言是臺(tái)積電發(fā)現(xiàn)其 3nm FinFET 工藝很難達(dá)到令人滿意的良率。但到目前為止，臺(tái)積電尚未公開承認(rèn)任何 N3 延遲，相反其聲稱“正在取得良好進(jìn)展”。

　　眾所周知，臺(tái)積電3nm在晶體管方面采用鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)inFET運(yùn)用立體的結(jié)構(gòu)，增加了電路閘極的接觸面積，進(jìn)而讓電路更加穩(wěn)定，同時(shí)也達(dá)成了半導(dǎo)體制程持續(xù)微縮的目標(biāo)。

　　其實(shí)，F(xiàn)inFET晶體管走在3nm多多少少已是極限了，再向下將會(huì)遇到制程微縮而產(chǎn)生的電流控制漏電等物理極限問題，而臺(tái)積電之所以仍選擇其很大部分原因是不用變動(dòng)太多的生產(chǎn)工具，也能有較具優(yōu)勢(shì)的成本結(jié)構(gòu)。特別對(duì)于客戶來說，既不用有太多設(shè)計(jì)變化還能降低生產(chǎn)成本，可以說是雙贏局面。

　　從此前公開數(shù)據(jù)顯示，與5nm芯片相比，臺(tái)積電3nm芯片的邏輯密度將提高75%，效率提高15%，功耗降低30%。據(jù)悉，臺(tái)積電 3nm 制程已于2021年3 月開始風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)并小量交貨，預(yù)計(jì)將在2022年下半年開始商業(yè)化生產(chǎn)。

　　來源：臺(tái)積電

　　從工廠方面來看，中國臺(tái)灣南科18廠四至六期是臺(tái)積電3nm量產(chǎn)基地?？蛻舴矫妫瑥纳衔目梢钥闯?，英特爾、蘋果、高通等都選擇了臺(tái)積電。大摩分析師Charlie Chan日前發(fā)表報(bào)告稱，臺(tái)積電在2023年的3nm芯片代工市場上幾乎是壟斷性的，市場份額接近100%。

　　三星

　　不同于臺(tái)積電在良率方面的問題，三星在3nm的困難是3 納米GAA 制程建立專利IP 數(shù)量方面落后。據(jù)南韓媒體報(bào)道，三星缺乏3 納米GAA 制程相關(guān)專利，令三星感到不安。

　　三星在晶體管方面采用的是柵極環(huán)繞型(Gate-all-around，GAA)晶體管架構(gòu)。相比臺(tái)積電的FinFET晶體管，基于GAA的3nm技術(shù)成本肯定較高，但從性能表現(xiàn)上來看，基于GAA架構(gòu)的晶體管可以提供比FinFET更好的靜電特性，滿足一定的珊極寬度要求，可以表現(xiàn)為同樣工藝下，使用GAA架構(gòu)可以將芯片尺寸做得更小。

　　與5nm制造工藝相比，三星的3nm GAA技術(shù)的邏輯面積效率提高了35%以上，功耗降低了50%，性能提高了約30%。三星在去年6月正式宣布3nm工藝制程技術(shù)已經(jīng)成功流片。此外，三星還曾宣布將在 2022 年推出 3nm GAA 的早期版本，而其“性能版本”將在 2023 年出貨。

　　目前，在工廠方面，此前有消息稱三星可能會(huì)在美國投資170億美元建設(shè)3nm芯片生產(chǎn)線。在客戶方面，三星未有具體透露，但曾有消息稱高通、AMD 等臺(tái)積電重量級(jí)客戶都有意導(dǎo)入三星 3nm 制程，但介于上述提到的韓媒報(bào)道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺(tái)積電，三星3nm客戶仍成謎。

　　英特爾

　　在Pat Gelsinger于去年擔(dān)任英特爾CEO之后，這家曾經(jīng)在代工領(lǐng)域試水的IDM巨頭又重新回到了這個(gè)市場。同時(shí)，他們還提出了很雄壯的野心。

　　在本月18日投資人會(huì)議上，英特爾CEO Pat Gelsinger再次強(qiáng)調(diào)，英特爾2nm制程將在2024年上半年可量產(chǎn)，這個(gè)量產(chǎn)時(shí)間早于臺(tái)積電，意味2年后晶圓代工業(yè)務(wù)與臺(tái)積電競爭態(tài)勢(shì)會(huì)更白熱化。

　　雖然在3nm工藝方面，英特爾沒有過多的透露，但是Digitimes去年的研究報(bào)告分析了臺(tái)積電、三星、Intel及IBM四家廠商在相同命名的半導(dǎo)體制程工藝節(jié)點(diǎn)上的晶體管密度問題，并對(duì)比了各家在10nm、7nm、5nm、3nm及2nm的晶體管密度情況。

　　報(bào)告顯示，到了3nm節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電的晶體管密度大約是2.9億個(gè)/mm2，三星只有1.7億個(gè)/mm2，英特爾將達(dá)到5.2億個(gè)/mm2。英特爾的晶體管密度比臺(tái)積電高出了超過79%，達(dá)到了三星2倍以上。因此就摩爾定律關(guān)注的晶體管密度指標(biāo)來看，在同一制程工藝節(jié)點(diǎn)上，英特爾相比臺(tái)積電、三星更新一代的制程工藝具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　在工廠方面，英特爾曾強(qiáng)調(diào)將斥資800億歐元在歐洲設(shè)廠，英特爾德國負(fù)責(zé)人Christin Eisenschmid受訪時(shí)透露，將在歐洲生產(chǎn)2nm或推進(jìn)更小的芯片。英特爾將2nm作為擴(kuò)大歐洲生產(chǎn)能力的重要關(guān)鍵，以避免未來在先進(jìn)技術(shù)競爭中落后。

　　總的來說，在3nm節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電、三星和英特爾誰會(huì)是最后的贏家可能只有交給時(shí)間來判定，但從目前情勢(shì)來看，臺(tái)積電或略勝一籌。

　　三、3nm后的解法

　　3nm已經(jīng)到了摩爾定律的物理極限，往后又該如何發(fā)展?這已經(jīng)成為全球科研人員亟待尋求的解法。目前，研究人員大多試圖在晶體管技術(shù)、材料方面尋求破解之法。

　　GAA晶體管

　　上述三星在3nm制程中使用的GAA晶體管就是3nm后很好的選擇，GAA設(shè)計(jì)通道的四個(gè)面周圍有柵極，可減少漏電壓并改善對(duì)通道的控制，這是縮小工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)的關(guān)鍵。據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電在2nm工藝上也將采用GAA晶體管。

　　納米線

　　納米線是直徑在納米量級(jí)的納米結(jié)構(gòu)。納米線技術(shù)的基本吸引力之一是它們表現(xiàn)出強(qiáng)大的電學(xué)特性，包括由于其有效的一維結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的高電子遷移率。

　　最近，來自 HZDR 的研究人員宣布，他們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了長期以來關(guān)于張力下納米線的理論預(yù)測。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員制造了由 GaAs 核心和砷化銦鋁殼組成的納米線。最后，結(jié)果表明，研究人員確實(shí)可以通過對(duì)納米線施加拉伸應(yīng)變來提高納米線的電子遷移率。測量到未應(yīng)變納米線和塊狀 GaAs 的相對(duì)遷移率增加約為 30%。研究人員認(rèn)為，他們可以在具有更大晶格失配的材料中實(shí)現(xiàn)更顯著的增加。

　　堆疊叉片式晶體管技術(shù)

　　最近，英特爾一項(xiàng)關(guān)于“堆疊叉片式晶體管(stacked forksheet transistors)”的技術(shù)專利引起了人們的注意。

　　英特爾表示，新的晶體管設(shè)計(jì)最終可以實(shí)現(xiàn)3D和垂直堆疊的CMOS架構(gòu)，與目前最先進(jìn)的三柵極晶體管相比，該架構(gòu)允許增加晶體管的數(shù)量。在專利里，英特爾描述了納米帶晶體管和鍺薄膜的使用，后者將充當(dāng)電介質(zhì)隔離墻，在每個(gè)垂直堆疊的晶體管層中重復(fù)，最終取決于有多少個(gè)晶體管被相互堆疊在一起。

　　據(jù)了解，英特爾并不是第一家引用這種制造方法的公司，比利時(shí)研究小組Imec在2019年就曾提出這個(gè)方法，根據(jù) Imec 的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元模擬結(jié)果，當(dāng)應(yīng)用于 2nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，與傳統(tǒng)的納米片方法相比，該技術(shù)可以顯著提高晶體管密度。

　　垂直傳輸場效應(yīng)晶體管

　　垂直傳輸場效應(yīng)晶體管(VTFET)由IBM和三星共同公布，旨在取代當(dāng)前用于當(dāng)今一些最先進(jìn)芯片的FinFET技術(shù)。新技術(shù)將垂直堆疊晶體管，允許電流在晶體管堆疊中上下流動(dòng)，而不是目前大多數(shù)芯片上使用的將晶體管平放在硅表面上，然后電流從一側(cè)流向另一側(cè)。

　　據(jù) IBM 和三星稱，這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它將允許繞過許多性能限制，將摩爾定律擴(kuò)展到 1 納米閾值之外。同時(shí)還可以影響它們之間的接觸點(diǎn)，以提高電流并節(jié)約能源。他們表示，該設(shè)計(jì)可能會(huì)使性能翻倍，或者減少85%的能源消耗。

　　其實(shí)，對(duì)于3nm以后先進(jìn)制程如何演進(jìn)，晶體管制造只是解決方案的一部分，芯片設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，需要片上互連、組裝和封裝等對(duì)器件和系統(tǒng)性能的影響降至最低。

　　四、寫在最后

　　關(guān)于3nm的爭奪，上面只是講述了冰山一角。其實(shí)圍繞著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)，幾乎都有多家廠商在上面進(jìn)行爭奪。這也正是集成電路發(fā)展至今的關(guān)鍵。

　　另外，雖然摩爾定律已經(jīng)到了極限，但是無論設(shè)計(jì)企業(yè)還是制造廠又或是封裝廠，他們對(duì)于先進(jìn)制程研發(fā)的步伐不能停止。往小了說，先進(jìn)制程關(guān)乎產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，往大了說，先進(jìn)制程關(guān)乎著國家安全。未來世界科技為王，落后就要挨打，這是金規(guī)鐵律。