龔佳佳

時至今日，芯片設計巨頭的高端系列芯片已經在7nm及以下的先進制程中搏斗不僅如此，先進制程更是成為了臺積電等代工龍頭的吸金密碼2021年臺積電總營收為15874.2億新臺幣，其中，5納米和7納米合計營收占總營收50%，可以說扛起了臺積電營收的半壁江山

可是，伴隨著高性能計算需求的增加，芯片制程的戰火也逐漸從5nm蔓延到了3nm3nm爭奪戰的槍聲已經打響

01

設計企業的產能之爭

當前芯片已經來到了先進制程時代，鑒于能采用先進制程的代工廠只有臺積電和三星兩家，而需要先進制程工藝的芯片設計企業卻有英特爾，蘋果，高通，AMD，英偉達等數家，實打實處于僧多肉少的局面對芯片企業來說，芯片工藝的比拼其實就是產品性能的比拼，為了不輸給對手，芯片企業不得不開始上演一場產能爭奪戰

從已經量產的5nm來看，業界傳聞英偉達上個季度向臺積電支付了 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 年第一季度支付根據消息顯示，英偉達將花費近 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

對于一個量產近2年，可以稱得上是穩定良率的制程，英偉達都要斥百億美元的巨資確保產能，可想而知，面對一個全新的制程，廠商的競爭只會更激烈，這決定著誰會是全球首款3納米芯片。

目前來看，英特爾，蘋果，高通，AMD等都已加入戰局。

英特爾

雖然英特爾是IDM企業，但目前他在先進制程方面離3nm仍有距離在2022年投資者大會上，英特爾曾表示Intel 4也就是7nm預計在2022年下半年投產，Intel 3預計在2023年下半年投產，Intel 20A將于2024年投產，Intel 18A預計在2025年投產

換句話說，英特爾的3nm還遙遙無期，但技術競爭并不會給英特爾喘息時間，此前由于英特爾無法按時生產7nm，導致AMD在CPU技術上領先，為了重返霸主寶座，英特爾必須爭3nm也正是因為這個原因，英特爾成為了臺積電3nm 產能的競爭者之一，與蘋果分庭抗禮

去年有消息稱，英特爾擠掉蘋果成為臺積電3nm工藝首批客戶，主要生產其下一代處理器和圖形產品當時的供應鏈指出，英特爾下給臺積電的產品包括一顆圖形處理器及三個服務器處理器，首批數量約4000片，預計2022年5月正式產出交貨，7月放量生產

據業界報道，為了爭搶產能，去年12月，英特爾CEO基爾辛格曾乘坐私人專機訪臺，希望爭取到未來2～3年更多臺積電先進工藝產能，涵蓋制程包括7nm及優化后的6nm，5nm及優化后的4nm，以及3nm等當時傳言指出，對于3nm工藝，英特爾提出希望能與蘋果一樣，臺積電能夠為英特爾建造一條3nm產能特供專線

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

從上述來看，英特爾在爭3nm產能中是打了一場漂亮的仗。

蘋果

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

2020年時候，關于臺積電3nm產能的新聞還全是，蘋果是第一個和臺積電簽約3nm制程產能的廠商，全是蘋果的，臺積電3nm首批產能，iPhone全包諸如此類，但計劃永遠趕不上變化，到了2021年下半年，英特爾的橫插一腳讓蘋果失去了臺積電3nm獨寵的資格。

作為臺積電十年老客戶且還是最大的客戶，蘋果擁有的3nm產能應該不會少到哪里去，目前來看，為了臺積電的3nm產能，蘋果已經預付了大量的款項但在4nm方面，蘋果曾不得不接受臺積電的漲價以確保產能，并包下12—15萬片4nm產能，到了3nm階段，多少可能也會歷史再現

高通

去年12月曾有消息稱高通有意導入三星 3nm 制程，但從最近的消息來看，情勢可能生變據韓媒報道，高通據稱已將3nm AP處理器的訂單交給臺積電，將于明年推出，而造成訂單轉移的原因在于，三星的先進工藝節點面臨產量問題

高通也是臺積電的重量級客戶，此前有意將3nm訂單交于三星也是因為爭不過蘋果在臺積電的地位，為了確保足夠的產能才轉向三星，如今再傳出將訂單交給臺積電說到底也是因為擔心三星產量問題。魏哲家還表示，由于工藝復雜，采用了很多新設備，成本肯定會高于5nm工藝，預計2023年第一季度營收貢獻明顯，而3nm的增強版量產將在一年后。

AMD

據臺媒《工商時報》去年5月報道，AMD 已向臺積電預訂2022及后兩年 5nm 及 3nm 產能，預計 2022 年推出 5nm Zen 4 架構處理器，2023～2024 年間將推出 3nm Zen 5 架構處理器不過和高通一樣，AMD也曾傳出了因為產能問題試圖轉單三星的消息，由此看出，3nm產能不夠可能將成為臺積電損失客戶的原罪

從當前的局勢來看，伴隨著本土GPU，DPU廠商的崛起，未來會有越來越多企業加入3nm的產能爭奪戰之中，屆時局面相比當下或許會更加熱鬧。

02

代工廠的3nm之戰

在芯片設計企業還在為產能明爭暗斗的時候，晶圓制造領域又是另外一番景象對晶圓制造廠來說，眼下更重要的是3nm的突破誰率先量產了3nm，誰就將占領未來晶圓制造產業的制高點，甚至還會影響AMD，英偉達等芯片巨頭的產品路線圖

毫無疑問，在3nm這個節點，目前能一決雌雄的只有臺積電和三星，但英特爾顯然也在往先進制程方面發力不過從最近幾天的消息來看，臺積電和三星兩家企業在量產3nm這件事上進行的都頗為坎坷Gartner 分析師 Samuel Wang表示，3nm 的斜坡將比之前的節點花費更長的時間

臺積電

眾所周知，臺積電3nm在晶體管方面采用鰭式場效應晶體管結構，FinFET運用立體的結構，增加了電路閘極的接觸面積，進而讓電路更加穩定，同時也達成了半導體制程持續微縮的目標其實，FinFET晶體管走在3nm多多少少已是極限了，再向下將會遇到制程微縮而產生的電流控制漏電等物理極限問題，而臺積電之所以仍選擇其很大部分原因是不用變動太多的生產工具，也能有較具優勢的成本結構特別對于客戶來說，既不用有太多設計變化還能降低生產成本，可以說是雙贏局面

從此前公開數據顯示，與5nm芯片相比，臺積電3nm芯片的邏輯密度將提高75%，效率提高15%，功耗降低30%根據消息顯示，臺積電 3nm 制程已于2021年3 月開始風險性試產并小量交貨，預計將在2022年下半年開始商業化生產

從工廠方面來看，中國臺灣南科18廠四至六期是臺積電3nm量產基地客戶方面，從上文可以看出，英特爾，蘋果，高通等都選擇了臺積電大摩分析師Charlie Chan日前發表報告稱，臺積電在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 數量方面落后據南韓媒體報道，三星缺乏3 納米GAA 制程相關專利，令三星感到不安

三星在晶體管方面采用的是柵極環繞型 晶體管架構相比臺積電的FinFET晶體管，基于GAA的3nm技術成本肯定較高，但從性能表現上來看，基于GAA架構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，可以表現為同樣工藝下，使用GAA架構可以將芯片尺寸做的更小

平面晶體管，FinFET與GAA FET

與5nm制造工藝相比，三星的3nm GAA技術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工藝制程技術已經成功流片此外，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在美國投資170億美元建設3nm芯片生產線在客戶方面，三星未有具體透露，但曾有消息稱高通，AMD 等臺積電重量級客戶都有意導入三星 3nm 制程，但介于上述提到的韓媒報道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺積電，三星3nm客戶仍成謎

英特爾

在Pat Gelsinger于去年擔任英特爾CEO之后，這家曾經在代工領域試水的IDM巨頭又重新回到了這個市場同時，他們還提出了很雄壯的野心

在本月18日投資人會議上，英特爾CEO Pat Gelsinger再次強調，英特爾2nm制程將在2024年上半年可量產，這個量產時間早于臺積電，意味2年后晶圓代工業務與臺積電競爭態勢會更白熱化。

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

報告顯示，到了3nm節點，臺積電的晶體管密度大約是2.9億個/mmsup2，，三星只有1.7億個/mmsup2，，英特爾將達到5.2億個/mmsup2，英特爾的晶體管密度比臺積電高出了超過79%，達到了三星2倍以上因此就摩爾定律關注的晶體管密度指標來看，在同一制程工藝節點上，英特爾相比臺積電，三星更新一代的制程工藝具有一定的優勢

在工廠方面，英特爾曾強調將斥資800億歐元在歐洲設廠，英特爾德國負責人Christin Eisenschmid受訪時透露，將在歐洲生產2nm或推進更小的芯片英特爾將2nm作為擴大歐洲生產能力的重要關鍵，以避免未來在先進技術競爭中落后

總的來說，在3nm節點，臺積電，三星和英特爾誰會是最后的贏家可能只有交給時間來判定，但從目前情勢來看，臺積電或略勝一籌。

03

3nm后的解法

3nm已經到了摩爾定律的物理極限，往后又該如何發展這已經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，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設計通道的四個面周圍有柵極，可減少漏電壓并改善對通道的控制，這是縮小工藝節點時的關鍵據報道，臺積電在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的納米結構納米線技術的基本吸引力之一是它們表現出強大的電學特性，包括由于其有效的一維結構而產生的高電子遷移率

最近，來自 HZDR 的研究人員宣布，他們已經通過實驗證明了長期以來關于張力下納米線的理論預測在實驗中，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，結果表明，研究人員確實可以通過對納米線施加拉伸應變來提高納米線的電子遷移率測量到未應變納米線和塊狀 GaAs 的相對遷移率增加約為 30%研究人員認為，他們可以在具有更大晶格失配的材料中實現更顯著的增加

堆疊叉片式晶體管技術

最近，英特爾一項關于堆疊叉片式晶體管的技術專利引起了人們的注意。

英特爾表示，新的晶體管設計最終可以實現3D和垂直堆疊的CMOS架構，與目前最先進的三柵極晶體管相比，該架構允許增加晶體管的數量在專利里，英特爾描述了納米帶晶體管和鍺薄膜的使用，后者將充當電介質隔離墻，在每個垂直堆疊的晶體管層中重復，最終取決于有多少個晶體管被相互堆疊在一起

根據消息顯示，英特爾并不是第一家引用這種制造方法的公司，比利時研究小組Imec在2019年就曾提出這個方法，根據 Imec 的第一個標準單元模擬結果，當應用于 2nm 技術節點時，與傳統的納米片方法相比，該技術可以顯著提高晶體管密度。。

垂直傳輸場效應晶體管

垂直傳輸場效應晶體管由IBM和三星共同公布，旨在取代當前用于當今一些最先進芯片的FinFET技術新技術將垂直堆疊晶體管，允許電流在晶體管堆疊中上下流動，而不是目前大多數芯片上使用的將晶體管平放在硅表面上，然后電流從一側流向另一側

據 IBM 和三星稱，這種設計有兩個優點首先，它將允許繞過許多性能限制，將摩爾定律擴展到 1 納米閾值之外同時還可以影響它們之間的接觸點，以提高電流并節約能源他們表示，該設計可能會使性能翻倍，或者減少85%的能源消耗

其實，對于3nm以后先進制程如何演進，晶體管制造只是解決方案的一部分，芯片設計也至關重要，需要片上互連，組裝和封裝等對器件和系統性能的影響降至最低。

04

寫在最后

關于3nm的爭奪，上面只是講述了冰山一角其實圍繞著整個產業鏈的每一個環節，幾乎都有多家廠商在上面進行爭奪這也正是集成電路發展至今的關鍵

另外，雖然摩爾定律已經到了極限，但是無論設計企業還是制造廠又或是封裝廠，他們對于先進制程研發的步伐不能停止往小了說，先進制程關乎產業鏈的發展，往大了說，先進制程關乎著國家安全未來世界科技為王，落后就要挨打，這是金規鐵律

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