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本报记者 谭伦 北京报道
迈入9月中旬的短短几天，3纳米级芯片跟随各路消费电子巨头的最新产品陆续亮相，宣告全球消费级半导体进入新的制程时代。
苹果无疑是最具代表性的风向标之一。美西时间9月12日，苹果召开2023新品发布会，发布iPhone 15系列四款最新旗舰手机，其中，iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro搭载的A17 Pro芯片，其CPU核心性能相比上一代提速10%，晶体管数量从160亿个增加到190亿个，成为业界首款手机搭载的3纳米制程芯片。
作为苹果芯片的长期合作伙伴，台积电全权承担了A17 Pro芯片的制造环节。据公开报道，台积电已将3纳米工艺部署到量产，而苹果正是其首个客户。根据计划，台积电将在2024年执行其他主要客户的3纳米芯片订单。
值得注意的是，就在不到一周前的9月7日，台积电携手联发科宣布，双方共同打造的首款3纳米工艺的天玑旗舰芯片开发进展十分顺利，目前已完成流片，预计明年投入量产，明年下半年进入商用市场。
据台积电方面表示，其共同研发的3纳米产品不仅能为高性能计算和移动应用提供完整的平台支持，还拥有更强化的性能、功耗以及良品率。“与5纳米制程技术相比，台积电3纳米制程技术的逻辑密度增加约60%，在相同功耗下速度提升18%，或在相同速度下功耗降低32%。”台积电欧亚业务及技术研究资深副总经理侯永清介绍称。
“考虑到苹果和联发科目前在智能手机高端和中低端市场的标志性意义，这其实也表示，3纳米芯片的商用已经正式开启，预计明年将进入大规模商用，”半导体分析师季维向《中国经营报》记者表示，据Counterpoint Research最新发布的2023年第二季度全球智能手机应用处理器市场份额报告显示，今年第二季度联发科市场份额已达到30%，连续3年（12个季度）称雄全球手机芯片市场出货量占有率榜首。
研发跨度长达7年
与外界对于先进制程每两年一跃迁的观感不同，从首次提出到如今商用，3纳米制程的研发时间跨度其实已达7年之久。
2016年9月，时任台积电董事长的刘德音在一次行业年会上首次对外透露了3纳米制程的进度。他表示，已经组织了300~400人的团队进行研发。由于彼时10纳米制程尚未量产，大众市场并未过多对遥远的3纳米产生兴趣，但在业内，有关3纳米的技术探讨则已展开。
“台积电的3纳米制程工艺依然是采用FinFET架构技术。”CHIP全球测试中心中国实验室主任罗国昭向记者表示，这一架构最早诞生于英特尔22纳米的制程工艺，在推出后，由于其能够显著提高性能并降低功耗，台积电、三星等全球各大芯片制造厂商陆续跟进采用，将其良率不断提升，因此逐步成为先进制程中最成熟主流的架构。
但在工艺的不断优化中，尤其是在进入5纳米后，FinFET也逐步暴露出漏电等诸多问题。因此，作为台积电的老对手，2018年，三星电子在行业论坛上公布了全面的芯片制程技术路线图，其中包括5纳米、4纳米、3纳米三个先进制程，并开始尝试用新出现的GAAFET架构进行制造。
据三星公布的测试数据，与其FinFET架构的5纳米制程相比，其第一代3纳米工艺（3GAAE）同等性能下可降低 45% 功耗，同等功耗下可提高23%性能，并减少16%的芯片面积，而下一代3GAAP将有望带来更多进步。
2021年6月，三星抢在台积电之前，率先宣布其基于GAA技术的3纳米制程已成功流片。2022年6月30日，三星又正式宣布其已开始大规模量产基于GAA架构的3纳米芯片，成为了全球首家量产3纳米的晶圆代工企业。
但出于对良率和稳定性的担忧，台积电3纳米制程仍延用了FinFET架构，以便充分与EUV技术配合，减少光罩缺陷及制程堆栈误差，从而降低整体成本。但随后事实证明，三星为了追赶时间进度，一定程度也增加了良率不稳定的风险，这也让台积电后来居上，成为苹果和联发科的首选。
2022年年底，刘德音在台积电的3纳米厂量产及扩产典礼上透露，目前3纳米良率已与5纳米量产同期相当，市场需求非常强劲，量产后，每年带来的收入都会大于同期的5纳米。据其预估，3纳米技术量产5年内，将会释放全球1.5兆美元规模的终端产品价值。
而据供应链估计，目前台积电3纳米的版本之一N3月产能原预估约6.5万片，第4季加上增强型版本N3E后可达8万至10万片，但目前传出苹果第4季需求约仅为5万至6万片，这也使得台积电3纳米产品或于2024年才会全面放量。
三强鼎立竞争
而在架构路线上的竞争之外，台积电与三星的3纳米之战也将延续到商用市场。
季维告诉记者，虽然台积电的3纳米正式量产，但由于产能有限，年内的产量预计9成以上将优先供应给苹果，这使得其他客户的订单会在一定程度上流向三星。据天风国际分析师郭明錤日前透露，高通公司便可能选择与三星合作，探索双供应选项开发自己的3纳米芯片。
郭明錤表示，智能手机需求下滑带来的成本压力让高通在今年推出的8 Gen3坚持使用台积电4纳米工艺，但由于三星在3纳米GAA技术方面的进展，高通可能会再次考虑将其作为选择。业内猜测，这也是为了增加高通对于供应商的溢价权，以更好地控制成本。据悉，高通首款采用台积电3纳米制程的芯片将是于2024年第四季度发布的骁龙8 Gen4。
对于与台积电的竞争，三星方面似乎也有着积极预期。今年5月，三星电子设备解决方案业务部门负责人庆桂显表示，三星虽然目前在代工技术上落后于台积电，其中4纳米工艺技术上落后了约两年，而3纳米工艺技术上落后了约一年，但GAA架构晶体管技术缩小了三星与台积电之间的距离。在其看来，随着时间推移，三星可以在五年内超越台积电。
据庆桂显透露，三星的3纳米工艺量产后的良率已提升至60%到70%之间，客户反应良好。预计推进到2纳米工艺时，与台积电之间的竞争态势就会发生改变。
值得注意的是，郭明錤透露，在高通转单三星环节中被放弃的另一巨头，是目前正在加快重回顶尖制程行列的英特尔。根据规划，英特尔原定在2025年量产1.8纳米工艺，但在2022年二季度财报会议上，CEO基辛格透露这一时间被提前到了2024下半年，同期推出的，还包括2纳米产品。就在近期，英特尔宣布已在产品级测试芯片上实现了PowerVia背面供电技术，将于2024年上半年2纳米工艺上正式落地，目前正在晶圆厂启动步进。
“与三星一样，英特尔采用的也是GAA晶体管架构。”季维向记者表示，英特尔将采用的是GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技术，这是其自2011年率先推出FinFET以来的首个全新晶体管架构，通过堆叠多个CMOS，实现高达30%至50%的逻辑微缩提升，单位面积的晶体管数量越多，半导体的性能也就越强大。
为了应对三星、英特尔的挑战，在今年年初举行的2022年第四季度财务报告的通报会上，台积电也明确将在2纳米制程从FinFET转至GAA架构，这一尝试将于2024年下半年进入风险性试产，2025年进入量产。
高成本仍是最大难题
大规模商用在即，让消费级市场对于3纳米将带来的终端性能提升寄予期待。但对于商用初期的3纳米制程而言，目前有待解决的难题令业内对其快速占有市场的前景也相对谨慎。
“良率带来的成本挑战是第一位的。”季维表示，在成熟工艺里，99%的良品率往往都意味着极高的成本，而对于台积电来说，目前其3纳米的良品率各方预估都未达到80%，而三星表示良率高于台积电，也不会高出太多。这意味着，在提升良率前，台积电和三星都不会大规模提高产能，而整个市场也要为此付出极高成本。
据外媒日前公开报道，为了如期交付苹果的订单，台积电与苹果达成了协议，为其承担新的3纳米制程工艺中的高达数十亿美元的良率成本。“这种模式并不可复制和持续。”季维表示。
同时，提升3纳米量产成本的另一因素来自极紫外光（EUV）光刻机，此前有业内人士透露，台积电N3技术使用了多达25层的EUV光刻流程， 使得每台EUV光刻机的采购价推高至1.5亿至2亿美元，为了摊平这一采购成本，台积电必须对其N3与后续制程技术的生产收取高昂费用，这令3纳米每片晶圆单价超过2万美元，较5纳米高出20%。
此外，罗国昭告诉记者，工艺的升级也提升了生产各环节的复杂度，以封装为例，全新的3D封装技术被芯片制造商引入量产，包括Chiplet堆叠技术也将大面积铺开，这些都使得厂商需要投入更多的资源和精力。
“在大规模起量前，3纳米的成本不会在短时间内降下去。”罗国昭表示，鉴于目前智能手机市场的低迷，以及苹果也只是在部分最高价位的高端机型上使用了A17 Pro芯片，因此，3纳米的成本短期内或不会有太多下降。
不过，在季维看来，对于台积电而言，好消息是iPhone的需求空间非常庞大。据悉，台积电以及计划在今年底前增加3纳米芯片的产量，使其月产量达到10万片。“联发科的跟进也是另一个好信号。”季维表示，可以预见，对于3纳米而言，明年下半年会是一个关键的商用节点。
责任编辑：刘万里 SF014
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