先跑并不意味著(zhù)先贏(yíng) 良品率才是贏(yíng)得3nm之爭的關(guān)鍵

臺積電正在進(jìn)一步擴大其在中國臺灣的生產(chǎn)，將在臺南地區再新建四座3nm晶圓廠(chǎng)，每座都將花費100億美元建造，這幾百億美元的投資是屬于臺積電此前一項1200億美元投資計劃的一部分。

6月初，臺積電剛剛宣布將投資336億美元在臺南建設四座新的2nm晶圓廠(chǎng)，廠(chǎng)房面積將近95萬(wàn)平方米，后續的1nm廠(chǎng)也可能落腳此處。按照臺積電的計劃，這八座工廠(chǎng)都只是臺積電建造計劃的一部分，它至少有二十座工廠(chǎng)正在建設中或即將完工，總建筑面積超過(guò)了200萬(wàn)平方米。

臺灣并不是臺積電唯一在建工廠(chǎng)的地區，一個(gè)價(jià)值120億美元的亞利桑那工廠(chǎng)項目預計將于2023年3月完工。據報道，臺積電還與新加坡經(jīng)濟發(fā)展局就新工廠(chǎng)進(jìn)行了談判。

臺積電已經(jīng)公布了后續工藝發(fā)展的路線(xiàn)圖，N3工藝將于2022年內量產(chǎn)，后續還有其他N3衍生制造工藝。新建四座3nm晶圓廠(chǎng)可能也是臺積電為不同應用準備多個(gè)版本的N3以及FinFlex技術(shù)的原因，以便為芯片設計人員的設計提供一些額外的靈活性。

據傳，第一批采用臺積電3nm技術(shù)的客戶(hù)將是蘋(píng)果和英特爾，但目前尚不清楚這些公司將使用該新技術(shù)生產(chǎn)何種產(chǎn)品。

臺積電推出多種3nm工藝

隨著(zhù)制造工藝變得越來(lái)越復雜，它們的尋路、研究和開(kāi)發(fā)時(shí)間也變得越來(lái)越長(cháng)，因此我們再也看不到臺積電和其他代工廠(chǎng)每?jì)赡昃蜁?huì )準時(shí)出現一個(gè)全新的節點(diǎn)。在N3中，臺積電的新節點(diǎn)引入節奏將擴大到2.5年左右，隨后需要提供N3的增強版本以滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求。

臺積電需要多個(gè)版本的N3的另一個(gè)重要原因是N2將依賴(lài)于使用納米片實(shí)現全新的柵極環(huán)繞場(chǎng)效應晶體管（GAAFET），預計這會(huì )帶來(lái)更高的成本、新的設計方法、新IP和許多其他變化，所以許多普通客戶(hù)大概率也將在未來(lái)幾年堅持使用各種N3技術(shù)。

在2022年臺積電技術(shù)研討會(huì )上，談到了將在未來(lái)幾年推出的幾種3衍生制造工藝 —— N3E、N3P和N3X。這些N3變體旨在為超高性能應用提供改進(jìn)的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強的電壓。

· 臺積電的第一個(gè)3nm級節點(diǎn)稱(chēng)為N3，該節點(diǎn)有望在今年下半年開(kāi)始大批量制造 （HVM），實(shí)際芯片將于2023年初交付給客戶(hù)。N3主要針對早期采用者（如蘋(píng)果等），他們可以用于領(lǐng)先的設計，從前沿節點(diǎn)提供的性能、功率和面積（PPA）中受益。正因為N3是為特定類(lèi)型應用量身定制的，因此工藝窗口相對較窄。

· N3的升級版N3E和N5相比，則有同速率下有34%的功耗升級，或是同功耗下有18%的效能提升，并將邏輯晶體管密度提高1.6倍?？偟膩?lái)說(shuō)，N3E看起來(lái)是比N3更通用的節點(diǎn)，N3E的風(fēng)險生產(chǎn)將2022年第二季度或第三季度開(kāi)始，HVM將在2023年中期開(kāi)始。因此，預計商業(yè)N3E芯片將在2023年底或2024年初上市。

· N3的改進(jìn)并不止于N3E。臺積電將在2024年左右的某個(gè)時(shí)間推出N3P，這是其制造工藝的性能增強版本；對于那些無(wú)論成本都需要超高性能的客戶(hù)將提供N3X，目前沒(méi)有有關(guān)該節點(diǎn)的詳細信息，只知道它將支持高驅動(dòng)電流和電壓，本質(zhì)上是N4X的意識形態(tài)接班人。

所有臺積電N3制程節點(diǎn)都將支持FINFLEX，這是臺積電的“秘密武器”功能，極大地增強了他們的設計靈活性，并允許芯片設計人員精確優(yōu)化性能、功耗和成本。

使用FINFLEX技術(shù)讓FinFET的靈活性更接近基于納米片的GAAFET的靈活性，后者將提供可調節的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。FINFLEX技術(shù)擴展了工藝的性能、功率和密度范圍，允許芯片設計人員使用相同的設計工具集為同一芯片上的每個(gè)關(guān)鍵功能塊選擇最佳選項。

此外，臺積電通過(guò)與EDA合作伙伴密切合作，讓客戶(hù)能夠通過(guò)使用相同的工具集，在產(chǎn)品中充分利用FINFLEX技術(shù)。

有外媒在報道中表示，臺積電3nm工藝試產(chǎn)進(jìn)展順利，量產(chǎn)初期的月產(chǎn)能預計將超過(guò)2.5萬(wàn)片晶圓。而對于臺積電3nm制程工藝的盈利，預計至少在出貨3億顆芯片之后才能盈利。

考慮到臺積電有龐大的客戶(hù)群體，僅大客戶(hù)蘋(píng)果一家的A系列處理器，近幾年每年的需求都在2億顆之上，他們3nm工藝所代工芯片的出貨量，預計很快就會(huì )超過(guò)3億顆，實(shí)現盈利。

對于3nm工藝的客戶(hù)，臺積電CEO魏哲家在今年一季度的財報分析師電話(huà)會(huì )議上曾透露，他們持續看到高水平的客戶(hù)對他們的這一制程工藝有興趣，預計量產(chǎn)后第一年的投片量，將高于同期7nm和5nm制程工藝。

三星3nm工藝良率仍遠低于目標

全球前十大晶圓代工廠(chǎng)2021年第四季度產(chǎn)值合計達295.47億美元，連續十個(gè)季度創(chuàng )下新高。根據市場(chǎng)研究公司TrendForce的數據，三星在2021年第四季度的市場(chǎng)份額為18.3%，比上一季度的17.2%增長(cháng)了1.1個(gè)百分點(diǎn)；臺積電的份額下滑1.0個(gè)百分點(diǎn)至52.1%。兩家公司市場(chǎng)份額差距縮小2.1個(gè)百分點(diǎn)至33.8%。

三星是前五大晶圓代工大廠(chǎng)中，唯一一家在去年Q4市占率擴大的廠(chǎng)商，主要是因為先進(jìn)的5nm/4nm制程產(chǎn)能逐漸完成、大客戶(hù)高通旗艦產(chǎn)品開(kāi)始量產(chǎn)，推升三星晶圓代工在去年第四季度營(yíng)收至55.44億美元。

作為當前全球芯片代工市場(chǎng)的“老二”，三星一直希望能在晶圓代工領(lǐng)域超車(chē)“老大”臺積電。但由于雙方均持續投入，競爭格局近年來(lái)并無(wú)明顯變化，臺積電目前仍占據著(zhù)全球過(guò)半份額。

為了趕超對手，三星電子不得不從制程方面下手，希望通過(guò)領(lǐng)先臺積電量產(chǎn)更先進(jìn)的制程，來(lái)爭奪更多的客戶(hù)。

三星3nm制程研發(fā)規劃分為2個(gè)階段：第一代的3GAE（GAA-Early）與第二代3GAP（GAA-Plus）。三星計劃在今年上半年將投產(chǎn)3GAE用于自研芯片的制造，并于2023年推出3GAP技術(shù)。

不過(guò)，有分析師指出三星的3nm制程所能達到的晶體管密度，最終可能與英特爾的Intel 4（改名前為英特爾7nm制程），或者與臺積電的5nm家族當中的4nm制程相當，但是頻寬與漏電控制表現會(huì )更好，將帶來(lái)更優(yōu)異的能耗表現。

三星如果能確保以GAA技術(shù)為基礎的3nm制程良率，就有可能成為代工市場(chǎng)的“游戲規則改變者”。然而，三星電子在3nm工藝上遇到了障礙，由于產(chǎn)出率低，一直推遲正式量產(chǎn)的公布。

就在李在镕動(dòng)身啟程歐洲的前一個(gè)月，三星對旗下晶圓代工廠(chǎng)發(fā)起了一輪內部審核，調查用于提升良率的資金是否有所落實(shí)，因為目前試生產(chǎn)的3nm芯片良率已經(jīng)低到“讓高層難以置信”，有報道稱(chēng)三星的晶圓代工部門(mén)3nm制程的芯片良率目前只能維持在10%-20%之間。

相比之下，臺積電4nm制程的良率已經(jīng)可以達到70%，而三星4nm工藝的良率僅為30%-35%之間，如此低效的質(zhì)量控制也讓高通在在驍龍8+ Gen1發(fā)布之前，緊急由三星轉單交給臺積電來(lái)代工生產(chǎn)。

三星希望盡快量產(chǎn)3nm制程芯片，以爭取AMD和高通的訂單。自2017年三星將晶圓代工業(yè)務(wù)獨立后，已從最早的30家客戶(hù)成長(cháng)到100家以上。據悉，三星的目標是到2026年，客戶(hù)數量達到300家以上，而臺積電2022年的客戶(hù)數量預計將超過(guò)500家。

目前，三星正在“搶購”更多的EUV光刻機。據統計，截止到2020年，臺積電的EUV光刻機數量約40臺，三星則是18臺左右，不到臺積電的一半。預計2022年三星會(huì )購入大概18臺EUV光刻機，努力拉近與臺積電之間的數量差距。

預計未來(lái)三年累計資本支出將占其營(yíng)收的70%左右，而臺積電大概會(huì )在50%。三星確認了美國泰勒和南韓本地新晶圓廠(chǎng)的擴產(chǎn)投資，并坦言由于先進(jìn)制程量產(chǎn)爬坡延遲導致成本增加，獲利能力將略有下降。

代工廠(chǎng)的“3nm之戰”

根據TrendForce預測，2022年全球代工市場(chǎng)預計將增長(cháng)20%，達到1287.84億美元。對晶圓制造廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，眼下更重要的是3nm的突破。毫無(wú)疑問(wèn)，在3nm這個(gè)節點(diǎn)，目前能一決雌雄的只有臺積電和三星，雖然英特爾也在往先進(jìn)制程方面發(fā)力，但相比臺積電和三星的進(jìn)度還是有不小的差距。

不僅三星3nm制程的最大變量是良率，與三星相同，臺積電也難確保3nm預期良率，多次修改技術(shù)路線(xiàn)：推遲原本計劃7月開(kāi)始為英特爾和蘋(píng)果量產(chǎn)的3nm芯片；英偉達支付高達90億美元預付款，計劃使用臺積電3nm生產(chǎn)今年發(fā)布的GeForce RTX40系列GPU，但良率問(wèn)題，GeForce RTX40系列GPU最后采用5nm而非3nm。

同時(shí)，有報道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺積電，但三星3nm客戶(hù)仍成謎。

這或許是三星最不愿意看到的一幕，在痛失高通的8+Gen1訂單后，3nm先進(jìn)制程芯片的這場(chǎng)戰爭，他們沒(méi)有退路。

除了大幅提高的資金投入外，三星幾乎是以一種“畢其功于一役”的姿態(tài)去發(fā)展3nm制程芯片，相比于過(guò)于行業(yè)內早已輕車(chē)熟路的FinFET工藝，改用GAA工藝，而GAA工藝在業(yè)內還未有成功開(kāi)發(fā)的先例。

雖然GAA取代FinFET已成業(yè)內共識，但現階段影響其量產(chǎn)普及的因素還有不少，復雜的制造流程、良品率、成本難以控制等等仍是阻礙。

再有就是和臺積電在產(chǎn)能上的差距。由于臺積電具備動(dòng)態(tài)調配生產(chǎn)線(xiàn)能力，其產(chǎn)能利用率甚至可以提高到110%-120%，這是三星完全無(wú)法企及的，更何況三星的邏輯芯片產(chǎn)能中約有一半自用，而臺積電作為純晶圓代工廠(chǎng)，集團內的其他業(yè)務(wù)根本不需要占據芯片產(chǎn)能。

對于臺積電而言，3nm制程芯片同樣是關(guān)鍵一役，因為臺積電仍然堅持使用更加成熟且傳統的FinFET工藝，如何在3nm制程的節點(diǎn)下，打破物理意義的工藝上限，這是擺在臺積電面前的一道難題。

三星的這次技術(shù)整改頗有幾分“推倒重建”的意味。實(shí)際上，當下這場(chǎng)從FinFET到GAA的工藝變革就是三星彎道超車(chē)的最佳機會(huì )。在第一款商用3nm芯片落地之前，沒(méi)人能給出答案，但這也是三星最大的底氣。

實(shí)際上，這場(chǎng)“代工雙雄”之間的競爭沒(méi)有誰(shuí)會(huì )輸的徹底，因為這個(gè)行業(yè)中的絕大部分廠(chǎng)商已經(jīng)完全告別了先進(jìn)制程的競賽，比如過(guò)去耳熟能詳的格羅方德和聯(lián)華電子，眼下都只能靠著(zhù)28nm制程產(chǎn)品線(xiàn)去維持市場(chǎng)，“摩爾定律”在這些公司身上已基本失效。

隨著(zhù)雙寡頭拉起的3nm制程競賽，未來(lái)行業(yè)內的晶圓代工訂單勢必將向這兩家公司進(jìn)一步集中，由于半導體行業(yè)極度依賴(lài)規模效應，未來(lái)晶圓代工這個(gè)行業(yè)也很難再有新的挑戰者出現。