本報記者 譚倫 北京報道
邁入9月中旬的短短幾天，3納米級芯片跟隨各路消費電子巨頭的最新產品陸續(xù)亮相，宣告全球消費級半導體進入新的制程時代。
蘋果無疑是最具代表性的風向標之一。美西時間9月12日，蘋果召開2023新品發(fā)布會，發(fā)布iPhone 15系列四款最新旗艦手機，其中，iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro搭載的A17 Pro芯片，其CPU核心性能相比上一代提速10%，晶體管數量從160億個增加到190億個，成為業(yè)界首款手機搭載的3納米制程芯片。
作為蘋果芯片的長期合作伙伴，臺積電全權承擔了A17 Pro芯片的制造環(huán)節(jié)。據公開報道，臺積電已將3納米工藝部署到量產，而蘋果正是其首個客戶。根據計劃，臺積電將在2024年執(zhí)行其他主要客戶的3納米芯片訂單。
值得注意的是，就在不到一周前的9月7日，臺積電攜手聯(lián)發(fā)科宣布，雙方共同打造的首款3納米工藝的天璣旗艦芯片開發(fā)進展十分順利，目前已完成流片，預計明年投入量產，明年下半年進入商用市場。
據臺積電方面表示，其共同研發(fā)的3納米產品不僅能為高性能計算和移動應用提供完整的平臺支持，還擁有更強化的性能、功耗以及良品率?！芭c5納米制程技術相比，臺積電3納米制程技術的邏輯密度增加約60%，在相同功耗下速度提升18%，或在相同速度下功耗降低32%?！迸_積電歐亞業(yè)務及技術研究資深副總經理侯永清介紹稱。
“考慮到蘋果和聯(lián)發(fā)科目前在智能手機高端和中低端市場的標志性意義，這其實也表示，3納米芯片的商用已經正式開啟，預計明年將進入大規(guī)模商用，”半導體分析師季維向《中國經營報》記者表示，據Counterpoint Research最新發(fā)布的2023年第二季度全球智能手機應用處理器市場份額報告顯示，今年第二季度聯(lián)發(fā)科市場份額已達到30%，連續(xù)3年（12個季度）稱雄全球手機芯片市場出貨量占有率榜首。
研發(fā)跨度長達7年
與外界對于先進制程每兩年一躍遷的觀感不同，從首次提出到如今商用，3納米制程的研發(fā)時間跨度其實已達7年之久。
2016年9月，時任臺積電董事長的劉德音在一次行業(yè)年會上首次對外透露了3納米制程的進度。他表示，已經組織了300~400人的團隊進行研發(fā)。由于彼時10納米制程尚未量產，大眾市場并未過多對遙遠的3納米產生興趣，但在業(yè)內，有關3納米的技術探討則已展開。
“臺積電的3納米制程工藝依然是采用FinFET架構技術?！盋HIP全球測試中心中國實驗室主任羅國昭向記者表示，這一架構最早誕生于英特爾22納米的制程工藝，在推出后，由于其能夠顯著提高性能并降低功耗，臺積電、三星等全球各大芯片制造廠商陸續(xù)跟進采用，將其良率不斷提升，因此逐步成為先進制程中最成熟主流的架構。
但在工藝的不斷優(yōu)化中，尤其是在進入5納米后，F(xiàn)inFET也逐步暴露出漏電等諸多問題。因此，作為臺積電的老對手，2018年，三星電子在行業(yè)論壇上公布了全面的芯片制程技術路線圖，其中包括5納米、4納米、3納米三個先進制程，并開始嘗試用新出現(xiàn)的GAAFET架構進行制造。
據三星公布的測試數據，與其FinFET架構的5納米制程相比，其第一代3納米工藝（3GAAE）同等性能下可降低 45% 功耗，同等功耗下可提高23%性能，并減少16%的芯片面積，而下一代3GAAP將有望帶來更多進步。
2021年6月，三星搶在臺積電之前，率先宣布其基于GAA技術的3納米制程已成功流片。2022年6月30日，三星又正式宣布其已開始大規(guī)模量產基于GAA架構的3納米芯片，成為了全球首家量產3納米的晶圓代工企業(yè)。
但出于對良率和穩(wěn)定性的擔憂，臺積電3納米制程仍延用了FinFET架構，以便充分與EUV技術配合，減少光罩缺陷及制程堆棧誤差，從而降低整體成本。但隨后事實證明，三星為了追趕時間進度，一定程度也增加了良率不穩(wěn)定的風險，這也讓臺積電后來居上，成為蘋果和聯(lián)發(fā)科的首選。
2022年年底，劉德音在臺積電的3納米廠量產及擴產典禮上透露，目前3納米良率已與5納米量產同期相當，市場需求非常強勁，量產后，每年帶來的收入都會大于同期的5納米。據其預估，3納米技術量產5年內，將會釋放全球1.5兆美元規(guī)模的終端產品價值。
而據供應鏈估計，目前臺積電3納米的版本之一N3月產能原預估約6.5萬片，第4季加上增強型版本N3E后可達8萬至10萬片，但目前傳出蘋果第4季需求約僅為5萬至6萬片，這也使得臺積電3納米產品或于2024年才會全面放量。
三強鼎立競爭
而在架構路線上的競爭之外，臺積電與三星的3納米之戰(zhàn)也將延續(xù)到商用市場。
季維告訴記者，雖然臺積電的3納米正式量產，但由于產能有限，年內的產量預計9成以上將優(yōu)先供應給蘋果，這使得其他客戶的訂單會在一定程度上流向三星。據天風國際分析師郭明錤日前透露，高通公司便可能選擇與三星合作，探索雙供應選項開發(fā)自己的3納米芯片。
郭明錤表示，智能手機需求下滑帶來的成本壓力讓高通在今年推出的8 Gen3堅持使用臺積電4納米工藝，但由于三星在3納米GAA技術方面的進展，高通可能會再次考慮將其作為選擇。業(yè)內猜測，這也是為了增加高通對于供應商的溢價權，以更好地控制成本。據悉，高通首款采用臺積電3納米制程的芯片將是于2024年第四季度發(fā)布的驍龍8 Gen4。
對于與臺積電的競爭，三星方面似乎也有著積極預期。今年5月，三星電子設備解決方案業(yè)務部門負責人慶桂顯表示，三星雖然目前在代工技術上落后于臺積電，其中4納米工藝技術上落后了約兩年，而3納米工藝技術上落后了約一年，但GAA架構晶體管技術縮小了三星與臺積電之間的距離。在其看來，隨著時間推移，三星可以在五年內超越臺積電。
據慶桂顯透露，三星的3納米工藝量產后的良率已提升至60%到70%之間，客戶反應良好。預計推進到2納米工藝時，與臺積電之間的競爭態(tài)勢就會發(fā)生改變。
值得注意的是，郭明錤透露，在高通轉單三星環(huán)節(jié)中被放棄的另一巨頭，是目前正在加快重回頂尖制程行列的英特爾。根據規(guī)劃，英特爾原定在2025年量產1.8納米工藝，但在2022年二季度財報會議上，CEO基辛格透露這一時間被提前到了2024下半年，同期推出的，還包括2納米產品。就在近期，英特爾宣布已在產品級測試芯片上實現(xiàn)了PowerVia背面供電技術，將于2024年上半年2納米工藝上正式落地，目前正在晶圓廠啟動步進。
“與三星一樣，英特爾采用的也是GAA晶體管架構。”季維向記者表示，英特爾將采用的是GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技術，這是其自2011年率先推出FinFET以來的首個全新晶體管架構，通過堆疊多個CMOS，實現(xiàn)高達30%至50%的邏輯微縮提升，單位面積的晶體管數量越多，半導體的性能也就越強大。
為了應對三星、英特爾的挑戰(zhàn)，在今年年初舉行的2022年第四季度財務報告的通報會上，臺積電也明確將在2納米制程從FinFET轉至GAA架構，這一嘗試將于2024年下半年進入風險性試產，2025年進入量產。
高成本仍是最大難題
大規(guī)模商用在即，讓消費級市場對于3納米將帶來的終端性能提升寄予期待。但對于商用初期的3納米制程而言，目前有待解決的難題令業(yè)內對其快速占有市場的前景也相對謹慎。
“良率帶來的成本挑戰(zhàn)是第一位的?！?/span>季維表示，在成熟工藝里，99%的良品率往往都意味著極高的成本，而對于臺積電來說，目前其3納米的良品率各方預估都未達到80%，而三星表示良率高于臺積電，也不會高出太多。這意味著，在提升良率前，臺積電和三星都不會大規(guī)模提高產能，而整個市場也要為此付出極高成本。
據外媒日前公開報道，為了如期交付蘋果的訂單，臺積電與蘋果達成了協(xié)議，為其承擔新的3納米制程工藝中的高達數十億美元的良率成本?！斑@種模式并不可復制和持續(xù)?！奔揪S表示。
同時，提升3納米量產成本的另一因素來自極紫外光（EUV）光刻機，此前有業(yè)內人士透露，臺積電N3技術使用了多達25層的EUV光刻流程， 使得每臺EUV光刻機的采購價推高至1.5億至2億美元，為了攤平這一采購成本，臺積電必須對其N3與后續(xù)制程技術的生產收取高昂費用，這令3納米每片晶圓單價超過2萬美元，較5納米高出20%。
此外，羅國昭告訴記者，工藝的升級也提升了生產各環(huán)節(jié)的復雜度，以封裝為例，全新的3D封裝技術被芯片制造商引入量產，包括Chiplet堆疊技術也將大面積鋪開，這些都使得廠商需要投入更多的資源和精力。
“在大規(guī)模起量前，3納米的成本不會在短時間內降下去?！?/span>羅國昭表示，鑒于目前智能手機市場的低迷，以及蘋果也只是在部分最高價位的高端機型上使用了A17 Pro芯片，因此，3納米的成本短期內或不會有太多下降。
不過，在季維看來，對于臺積電而言，好消息是iPhone的需求空間非常龐大。據悉，臺積電以及計劃在今年底前增加3納米芯片的產量，使其月產量達到10萬片。“聯(lián)發(fā)科的跟進也是另一個好信號?！奔揪S表示，可以預見，對于3納米而言，明年下半年會是一個關鍵的商用節(jié)點。
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