本報(bào)記者 譚倫 北京報(bào)道
邁入9月中旬的短短幾天，3納米級(jí)芯片跟隨各路消費(fèi)電子巨頭的最新產(chǎn)品陸續(xù)亮相，宣告全球消費(fèi)級(jí)半導(dǎo)體進(jìn)入新的制程時(shí)代。
蘋果無疑是最具代表性的風(fēng)向標(biāo)之一。美西時(shí)間9月12日，蘋果召開2023新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布iPhone 15系列四款最新旗艦手機(jī)，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(shù)量從160億個(gè)增加到190億個(gè)，成為業(yè)界首款手機(jī)搭載的3納米制程芯片。
作為蘋果芯片的長(zhǎng)期合作伙伴，臺(tái)積電全權(quán)承擔(dān)了A17 Pro芯片的制造環(huán)節(jié)。據(jù)公開報(bào)道，臺(tái)積電已將3納米工藝部署到量產(chǎn)，而蘋果正是其首個(gè)客戶。根據(jù)計(jì)劃，臺(tái)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(tái)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(jìn)展十分順利，目前已完成流片，預(yù)計(jì)明年投入量產(chǎn)，明年下半年進(jìn)入商用市常
據(jù)臺(tái)積電方面表示，其共同研發(fā)的3納米產(chǎn)品不僅能為高性能計(jì)算和移動(dòng)應(yīng)用提供完整的平臺(tái)支持，還擁有更強(qiáng)化的性能、功耗以及良品率。“與5納米制程技術(shù)相比，臺(tái)積電3納米制程技術(shù)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%。”臺(tái)積電歐亞業(yè)務(wù)及技術(shù)研究資深副總經(jīng)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(jī)高端和中低端市場(chǎng)的標(biāo)志性意義，這其實(shí)也表示，3納米芯片的商用已經(jīng)正式開啟，預(yù)計(jì)明年將進(jìn)入大規(guī)模商用，”半導(dǎo)體分析師季維向《中國(guó)經(jīng)營(yíng)報(bào)》記者表示，據(jù)Counterpoint Research最新發(fā)布的2023年第二季度全球智能手機(jī)應(yīng)用處理器市場(chǎng)份額報(bào)告顯示，今年第二季度聯(lián)發(fā)科市場(chǎng)份額已達(dá)到30％，連續(xù)3年（12個(gè)季度）稱雄全球手機(jī)芯片市場(chǎng)出貨量占有率榜首。
研發(fā)跨度長(zhǎng)達(dá)7年
與外界對(duì)于先進(jìn)制程每?jī)赡暌卉S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(shí)間跨度其實(shí)已達(dá)7年之久。
2016年9月，時(shí)任臺(tái)積電董事長(zhǎng)的劉德音在一次行業(yè)年會(huì)上首次對(duì)外透露了3納米制程的進(jìn)度。他表示，已經(jīng)組織了300~400人的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)。由于彼時(shí)10納米制程尚未量產(chǎn)，大眾市場(chǎng)并未過多對(duì)遙遠(yuǎn)的3納米產(chǎn)生興趣，但在業(yè)內(nèi)，有關(guān)3納米的技術(shù)探討則已展開。
“臺(tái)積電的3納米制程工藝依然是采用FinFET架構(gòu)技術(shù)。”CHIP全球測(cè)試中心中國(guó)實(shí)驗(yàn)室主任羅國(guó)昭向記者表示，這一架構(gòu)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(tái)積電、三星等全球各大芯片制造廠商陸續(xù)跟進(jìn)采用，將其良率不斷提升，因此逐步成為先進(jìn)制程中最成熟主流的架構(gòu)。
但在工藝的不斷優(yōu)化中，尤其是在進(jìn)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(tái)積電的老對(duì)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(shù)路線圖，其中包括5納米、4納米、3納米三個(gè)先進(jìn)制程，并開始嘗試用新出現(xiàn)的GAAFET架構(gòu)進(jìn)行制造。
據(jù)三星公布的測(cè)試數(shù)據(jù)，與其FinFET架構(gòu)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(jìn)步。
2021年6月，三星搶在臺(tái)積電之前，率先宣布其基于GAA技術(shù)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(chǎn)基于GAA架構(gòu)的3納米芯片，成為了全球首家量產(chǎn)3納米的晶圓代工企業(yè)。
但出于對(duì)良率和穩(wěn)定性的擔(dān)憂，臺(tái)積電3納米制程仍延用了FinFET架構(gòu)，以便充分與EUV技術(shù)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(shí)證明，三星為了追趕時(shí)間進(jìn)度，一定程度也增加了良率不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，這也讓臺(tái)積電后來居上，成為蘋果和聯(lián)發(fā)科的首眩
2022年年底，劉德音在臺(tái)積電的3納米廠量產(chǎn)及擴(kuò)產(chǎn)典禮上透露，目前3納米良率已與5納米量產(chǎn)同期相當(dāng)，市場(chǎng)需求非常強(qiáng)勁，量產(chǎn)后，每年帶來的收入都會(huì)大于同期的5納米。據(jù)其預(yù)估，3納米技術(shù)量產(chǎn)5年內(nèi)，將會(huì)釋放全球1.5兆美元規(guī)模的終端產(chǎn)品價(jià)值。
而據(jù)供應(yīng)鏈估計(jì)，目前臺(tái)積電3納米的版本之一N3月產(chǎn)能原預(yù)估約6.5萬片，第4季加上增強(qiáng)型版本N3E后可達(dá)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(tái)積電3納米產(chǎn)品或于2024年才會(huì)全面放量。
三強(qiáng)鼎立競(jìng)爭(zhēng)
而在架構(gòu)路線上的競(jìng)爭(zhēng)之外，臺(tái)積電與三星的3納米之戰(zhàn)也將延續(xù)到商用市常
季維告訴記者，雖然臺(tái)積電的3納米正式量產(chǎn)，但由于產(chǎn)能有限，年內(nèi)的產(chǎn)量預(yù)計(jì)9成以上將優(yōu)先供應(yīng)給蘋果，這使得其他客戶的訂單會(huì)在一定程度上流向三星。據(jù)天風(fēng)國(guó)際分析師郭明日前透露，高通公司便可能選擇與三星合作，探索雙供應(yīng)選項(xiàng)開發(fā)自己的3納米芯片。
郭明表示，智能手機(jī)需求下滑帶來的成本壓力讓高通在今年推出的8 Gen3堅(jiān)持使用臺(tái)積電4納米工藝，但由于三星在3納米GAA技術(shù)方面的進(jìn)展，高通可能會(huì)再次考慮將其作為選擇。業(yè)內(nèi)猜測(cè)，這也是為了增加高通對(duì)于供應(yīng)商的溢價(jià)權(quán)，以更好地控制成本。據(jù)悉，高通首款采用臺(tái)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(duì)于與臺(tái)積電的競(jìng)爭(zhēng)，三星方面似乎也有著積極預(yù)期。今年5月，三星電子設(shè)備解決方案業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)人慶桂顯表示，三星雖然目前在代工技術(shù)上落后于臺(tái)積電，其中4納米工藝技術(shù)上落后了約兩年，而3納米工藝技術(shù)上落后了約一年，但GAA架構(gòu)晶體管技術(shù)縮小了三星與臺(tái)積電之間的距離。在其看來，隨著時(shí)間推移，三星可以在五年內(nèi)超越臺(tái)積電。
據(jù)慶桂顯透露，三星的3納米工藝量產(chǎn)后的良率已提升至60%到70%之間，客戶反應(yīng)良好。預(yù)計(jì)推進(jìn)到2納米工藝時(shí)，與臺(tái)積電之間的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)就會(huì)發(fā)生改變。
值得注意的是，郭明透露，在高通轉(zhuǎn)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(jù)規(guī)劃，英特爾原定在2025年量產(chǎn)1.8納米工藝，但在2022年二季度財(cái)報(bào)會(huì)議上，CEO基辛格透露這一時(shí)間被提前到了2024下半年，同期推出的，還包括2納米產(chǎn)品。就在近期，英特爾宣布已在產(chǎn)品級(jí)測(cè)試芯片上實(shí)現(xiàn)了PowerVia背面供電技術(shù)，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(dòng)步進(jìn)。
“與三星一樣，英特爾采用的也是GAA晶體管架構(gòu)。”季維向記者表示，英特爾將采用的是GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技術(shù)，這是其自2011年率先推出FinFET以來的首個(gè)全新晶體管架構(gòu)，通過堆疊多個(gè)CMOS，實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%至50%的邏輯微縮提升，單位面積的晶體管數(shù)量越多，半導(dǎo)體的性能也就越強(qiáng)大。
為了應(yīng)對(duì)三星、英特爾的挑戰(zhàn)，在今年年初舉行的2022年第四季度財(cái)務(wù)報(bào)告的通報(bào)會(huì)上，臺(tái)積電也明確將在2納米制程從FinFET轉(zhuǎn)至GAA架構(gòu)，這一嘗試將于2024年下半年進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2025年進(jìn)入量產(chǎn)。
高成本仍是最大難題
大規(guī)模商用在即，讓消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)對(duì)于3納米將帶來的終端性能提升寄予期待。但對(duì)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(nèi)對(duì)其快速占有市場(chǎng)的前景也相對(duì)謹(jǐn)慎。
“良率帶來的成本挑戰(zhàn)是第一位的。”季維表示，在成熟工藝?yán)铮?9%的良品率往往都意味著極高的成本，而對(duì)于臺(tái)積電來說，目前其3納米的良品率各方預(yù)估都未達(dá)到80%，而三星表示良率高于臺(tái)積電，也不會(huì)高出太多。這意味著，在提升良率前，臺(tái)積電和三星都不會(huì)大規(guī)模提高產(chǎn)能，而整個(gè)市場(chǎng)也要為此付出極高成本。
據(jù)外媒日前公開報(bào)道，為了如期交付蘋果的訂單，臺(tái)積電與蘋果達(dá)成了協(xié)議，為其承擔(dān)新的3納米制程工藝中的高達(dá)數(shù)十億美元的良率成本。“這種模式并不可復(fù)制和持續(xù)。”季維表示。
同時(shí)，提升3納米量產(chǎn)成本的另一因素來自極紫外光（EUV）光刻機(jī)，此前有業(yè)內(nèi)人士透露，臺(tái)積電N3技術(shù)使用了多達(dá)25層的EUV光刻流程， 使得每臺(tái)EUV光刻機(jī)的采購(gòu)價(jià)推高至1.5億至2億美元，為了攤平這一采購(gòu)成本，臺(tái)積電必須對(duì)其N3與后續(xù)制程技術(shù)的生產(chǎn)收取高昂費(fèi)用，這令3納米每片晶圓單價(jià)超過2萬美元，較5納米高出20%。
此外，羅國(guó)昭告訴記者，工藝的升級(jí)也提升了生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的復(fù)雜度，以封裝為例，全新的3D封裝技術(shù)被芯片制造商引入量產(chǎn)，包括Chiplet堆疊技術(shù)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(huì)在短時(shí)間內(nèi)降下去。”羅國(guó)昭表示，鑒于目前智能手機(jī)市場(chǎng)的低迷，以及蘋果也只是在部分最高價(jià)位的高端機(jī)型上使用了A17 Pro芯片，因此，3納米的成本短期內(nèi)或不會(huì)有太多下降。
不過，在季維看來，對(duì)于臺(tái)積電而言，好消息是iPhone的需求空間非常龐大。據(jù)悉，臺(tái)積電以及計(jì)劃在今年底前增加3納米芯片的產(chǎn)量，使其月產(chǎn)量達(dá)到10萬片。“聯(lián)發(fā)科的跟進(jìn)也是另一個(gè)好信號(hào)。”季維表示，可以預(yù)見，對(duì)于3納米而言，明年下半年會(huì)是一個(gè)關(guān)鍵的商用節(jié)點(diǎn)。
