3nm工艺延迟的背后 不只是台积电和三星之间的竞争

  【天极网手机频道】2020年第一代5nm量产之后，下一代3nm先进制程就开始提上日程。为了能够夺得晶圆代工龙头地位，台积电和三星在最近几年撒下重金，希望能够在3nm工艺节点上获得领先。但近期却相继有开发遇阻的消息传来。 

  台积电近期正式确认，N3工艺的量产会延迟3到4个月，意味着苹果2022年的iPhone将无法采用台积电3nm(N3)工艺。竞争对手三星在3nm节点上采用更先进的GAAE(Gate-AlI-Around Early)晶体管，但三兴同样遭遇开发问题，GAA工艺面临漏电等关键技术问题。

  按照台积电之前的规划，3nm工艺将在2022年第三季度实现量产，具体的量产时间将与客户共同协商决定。业界专家莫大康就表示：“从N5向N3不是单一的光刻尺寸的缩小，涉及器件架构、互连金属等，出现工艺延迟正常，要摸索工艺，需要通过更多的硅片生产来积累经验。” 

  传闻苹果是台积电3nm工艺的首批客户，英特尔也很可能是首批客户之一，英特尔的GPU和服务器芯片将采用3nm工艺。但这一传闻在英特尔架构日上被否定，N5和N6将是台积电为英特尔代工的首要工艺。虽然英特尔这一选择不能直接说明N3工艺的进展问题，但结合工艺进展延迟的消息，还是让人意外，毕竟台积电在4月15日的法说会上表示：N3已经提前至3月开始风险行试生产，并小量交货，进度优与原先预期。

  三星方面同样面临量产的问题，三星在2019年公布3nm GAA工艺的PDK物理设计套件标准，预计2020年底试产、2021年实现量产。但这一目标已经不能达成，按照三星在6月完成3nm芯片Tapeout(流片)的进度来看，2022年是3nm GAAE最快能实现量产的时间。 

  但不少外媒体并不看好三星能在2023年前实现量产，原因除了受制于疫情，导致3nm工艺所需的极紫外光刻机(EUV)和其他关键生产设备的交付延期。三星当初选择GAA工艺，就是希望能够通过提前布局，在3nm节点实现弯道超车。三星的3nm GAA工艺分为3GAAE/GAAP (3nm Gate-AlI-Around Early/Plus) 两个阶段，业界认为真正成熟的将是GAAP工艺，GAAE将可能只是用于自家的芯片上。

  作为对比，台积电明显更保守，3nm节点没有采用激进的GAA晶体管，而是选择更可靠、更稳定的FinFET工艺，希望通过继续挖掘FinFET的潜力，在三星之前实现3nm工艺量产。业内人士认为，台积电在GAA架构的开发上落后三星12至18个月，这也是台积电积极推进的3nm FinFET的重要原因。

  如果三星的3nm工艺不能在2023年前实现量产并获得客户订单，台积电将继续占据有利位置。对台积电来说，如果3nm不能在时间上取得领先，也会面临被动的局面。

  IBS Research 2019年的一份报告预测，3nm芯片虽然能降低每晶体管的成本，但晶圆和芯片模具的总体成本将增加。IBS在研究中估计，10亿个晶体管部分的单个晶体管部分将达到2.16美元，低于5nm工艺的2.25美元。3nm工艺的单片晶圆的成本将达到15500美元，比5nm的12500增加3000美元，模具比上代的23.57美元高出30.45美元。此外，预计3nm将采用25层EUV光罩，其最终代工价格可能达到30000美元每片。

  考虑到不是每个客户都能承受3万美元每片晶圆的价格，台积电评估启动持续改善计划(Coutinuous Improvement Plan)，推出改款版的3nm工艺，通过减少EUV光罩层数、略增加芯片尺寸的方式，降低成本、提高良率，让客户能够用上兼具性能和成本的3nm工艺方案。

  3nm工艺不只是台积电和三兴两家芯片代工厂商的竞争，同时也考验整个产业链。3nm节点不能仅靠台积电、三星推进，最终还要看制造商和设备商等产业链各个环节的努力。