3nm之爭中三星暫落下風，但臺積電也同樣面臨這些技術難題

蘋果、英偉達、AMD、高通和聯發科等都采用臺積電半導體制程生產最新芯片，部分芯片可能采用三星晶圓代工，但通常不是旗艦。 隨著三星過去幾個月良率提升，三星非常希望拿下部分訂單，例如3納米GAA制程。

之前市場消息，高通Snapdragon 8 Gen 4可能采用雙代工廠策略，也就是同時采用臺積電的N3E制程技術和三星的SF3E制程技術。不過，目前高通和聯發科都計劃采用臺積電第二代3納米制程技術（N3E），制造Snapdragon 3 Gen 8和天璣4的芯片，并沒有所謂的雙來源計劃。

三星在2022年6月底宣布，其位于韓國的華城工業區的工廠開始生產3納米制程芯片，采用全新GAA（Gate-All-Around）架構晶體管技術，傳聞比起臺積電3納米所使用的FinFET技術更為節能。

不過在3nm領域，三星暫時未獲得大客戶大量訂單，反倒是4nm領域有所收獲。

據悉，三星在4納米制程技術領域逐步解決了良率與其他一系列的問題，使得第三代4納米制程技術提升了性能、降低了功耗、以及提高了密度，而且良率提升至接近臺積電的水平，市場透露已得到了AMD與特斯拉等廠商的認可，獲得了新的訂單。

目前臺積電3納米制程技術產能已開始拉升，預計2024年末每月產能將達到10萬片規模，營收占比也會從現在的5%上升至10%。三星則是計劃2024年帶來名為SF3（3GAP）的第二代3納米制程技術，在原有的SF3E基礎上做進一步的優化，而三星自家本身的Exynos 2500可能是首款采用新制程技術的高性能芯片。


三星3nm為何會敗給臺積電

業內紛紛猜測，三星3nm芯片之所以鬧哄哄，主要還是技術不成熟的原因。

理論上，GAAFET技術確實比FinFET更先進，尤其在降低功耗方面占優。但三星可能對這項全新技術的掌控還不夠熟練，存在產能或良品率問題，導致yield率較低，自己都不敢用。

三星想要在3nm上先人一步，可能過于著急上市，結果技術不夠成熟，鬧了個大烏龍。它自己都不敢用3nm，客戶自然更不敢冒險，只能一笑置之。

這次失敗給三星敲響了警鐘，作為技術領先企業，還必須以穩扎穩打的精神推進新技術，不能盲目急功近利。盡管3nm失敗得很慘，但三星還是滿懷信心，宣布它會在2026年實現2nm芯片的量產，并在5年內反超各大芯片巨頭。

業內對此還是保持謹慎態度。三星想要重回巔峰，就必須認真反思3nm的失敗原因，扎扎實實提升工藝技術的成熟度，而不是空談口號。

關鍵是要贏得客戶的信任，讓客戶相信三星的新工藝確實成熟可靠，而不只是空中樓閣。

只有讓產品說話，三星才能重新建立領先地位。

良率和成本，3nm 的一朵“烏云”

10 月 9 日，《科創板日報》引述業內行業分析稱，三星、臺積電的 3nm 工藝良率目前都在 50%左右。一位接近三星的人士還透露，要贏得高通等大客戶明年的 3nm 移動芯片訂單，良率至少需要提高到 70%。

在半導體制造上，良率直接意味著一整片加工出來的晶圓上能正常工作的芯片的占比。通常來說，一片晶圓上可以同時制造出上百顆同樣的裸芯片，之后將晶圓片上的裸芯片切割開來，就可以封裝后安裝到產品上。

在成熟工藝上，代工廠的良率一般都能達到 99%，但在先進制程上，由于工藝難度和前期的大量問題，良率就可能非常低。但按照慣例，代工廠并不負責承擔不良芯片的制造成本，這部分費用還是由芯片設計客戶承擔，比如蘋果、英偉達。

當然，「50%的良率」未必可信，此前就有大量各種來源的信息給出了各不相同的良率，包括 A17 Pro 從產業鏈傳出的良率就為 70-80%。但這些消息無一例外，都透露出一個關鍵信息，即 3nm 的良率很低。

良率越低，成本越高。

這也是為什么除了蘋果，其他所有主要芯片設計公司都沒有選擇在 2023 年這個節點采用 3nm 工藝，更多還是瞄準 N3B 之后的工藝。按照臺積電早前的規劃，臺積電 3nm 工藝其實是包括 N3B（即 N3）、N3E、N3P、N3X 等多個版本。

甚至在業界傳聞中，就連蘋果也是與臺積電簽訂了一份「對賭」協議，規定未來一年臺積電 N3B 工藝為蘋果專用，且廢片均由臺積電承擔成本，而非蘋果買單。

而如果說良率很大程度上決定了 3nm 的成本居高不下，進而提高了芯片設計公司導入的門檻，那 3nm 的功耗和發熱問題，也是阻止他們較早導入的關鍵原因。


發熱和功耗，3nm 的另一朵“烏云”

iPhone 15 Pro 系列的發熱問題這里就不再贅述了，我們之前就在文章中分析，iPhone 15 Pro 系列發熱的「罪魁禍首」就是設計和芯片兩大部分，后者自然就是采用 3nm 工藝的 A17 Pro。

坦率地說，iPhone 15 Pro 的發熱到底有多大程度是因為 A17 Pro，A17 Pro 的問題有多大程度是因為臺積電 N3 工藝，目前來講都還沒有比較切實的論斷。

但問題一定是有的。按照蘋果給出的數據，A17 Pro 的晶體管數量為 190 億，比前代 A16 增加了近 20%，CPU 性能卻只提升了約 10%，GPU 核心數從 5 個增加到 6 個的同時，峰值性能提升了 20%。不過按照 GeekBench 數據來看，峰值性能大幅提高的另一面，是 A17 Pro TDP 峰值功率達到了驚人的 14W。

這不只是蘋果和臺積電面對的問題。

隨著晶體管尺寸不斷逼近物理極限，量子隧穿效應帶來的問題也越發嚴重，失控的電子引發的漏電，會導致芯片更嚴重的發熱和功耗問題。所以從 7nm 以后，整個業界的「制程焦慮」越發明顯，對摩爾定律新出路的探索越發加快。

當然回到 3nm 上，臺積電和三星也不是毫無準備的。

2nm之爭已然開始

臺積電方面，目標是在2025年實現N2（2nm）工藝的量產。今年6月媒體報道，臺積電已全力投入，開始為2nm芯片的試產做前期準備。7月，臺積電供應鏈透露，臺積電已通知設備供應商從次年第三季度開始交付2nm相關機器。9月，有媒體報道臺積電已成立專門的2nm工作組，目標是2024年試產，并在2025年開始量產。

三星方面，今年6月，宣布了其最新的代工技術創新和業務戰略。公布了2nm工藝量產的詳細計劃和性能水平。計劃到2025年將2nm工藝應用于移動領域，并分別于2026年和2027年擴展到HPC及汽車電子領域。

根據Rapidus計劃，2nm芯片將于2025年開始試產，2027年量產。今年7月，Rapidus總裁Atsuyoshi Koike表示，2025年試產線，并在2027年開始量產。但進展已步入正軌。他指出，一旦該公司的2nm工藝產品投入量產，其單價將是目前日本生產的邏輯半導體的十倍。

除此之外，英特爾方面也在加速進程，今年3月，英特爾高級副總裁兼中國區董事長王銳在接受媒體采訪時表示，Intel 20A（業界的2nm制程）和Intel 18A（相當于1.8nm制程）工藝制程已測試流片，并堅信到2025年能夠重新回領先地位。

根據這四大廠商時間線來看，2nm芯片預計將在2025年左右亮相。屆時，先進2nm工藝的競爭預計將更加激烈。