解析下一代iPhone將采用的臺積電N3E芯片技術(shù)

據國外媒體報道，蘋(píng)果目前正在研發(fā)的A17處理器將使用臺積電的N3E芯片制造技術(shù)進(jìn)行大規模生產(chǎn)，并且N3E很可能是首發(fā)用于A(yíng)17處理器，包括之后的蘋(píng)果M系列芯片。

不難預測蘋(píng)果在2023年下半年上市的iPhone 15系列將延續iPhone 14和iPhone 14 Pro這種處理器差異化，明年可能同樣是僅iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro配備3nm工藝的A17芯片，而普通版依然是N4的A16芯片。

臺積電N3制程將進(jìn)入量產(chǎn)階段

臺積電此前強調，臺積電N3（3nm）制程在完成技術(shù)研發(fā)及試產(chǎn)后，下一代3nm移動(dòng)處理器節點(diǎn)將很快投入量產(chǎn)。之前預計第三季下旬投片量將大幅拉升，第四季月投片量將達上千片水準，開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)階段。不過(guò)時(shí)間來(lái)到九月，目前還沒(méi)有臺積電正式開(kāi)始量產(chǎn)N3芯片的消息。

臺積電N3制程仍延用FinFET晶體管架構，其主要優(yōu)勢在于可充分發(fā)揮EUV技術(shù)優(yōu)異的光學(xué)能力，以及符合預期的良率表現，減少光罩缺陷及制程堆棧誤差，并降低整體成本。

目前，芯片設計人員必須使用一種晶體管類(lèi)型。但是到了3nm節點(diǎn)，這種設計方法使用起來(lái)會(huì )比現有技術(shù)更昂貴。所以針對N3制程，臺積電推出了FinFlex技術(shù) —— FinFlex技術(shù)允許芯片設計人員在一個(gè)模塊內混合和匹配不同類(lèi)型的FinFET，以實(shí)現更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

基于FinFET工藝，芯片設計人員可以在使用不同晶體管的不同庫之間進(jìn)行選擇：當需要以犧牲性能為代價(jià)來(lái)最小化芯片尺寸并節省功耗時(shí)，使用雙柵極單翅片鰭式FET；當需要在芯片尺寸和更高功耗的權衡下最大限度地提高性能時(shí)，會(huì )使用三柵極雙翅片晶體管；當需要更平衡的參數時(shí)，可以使用雙柵極雙翅片鰭式FET。

FinFlex是優(yōu)化N3節點(diǎn)性能、功耗和成本的好方法，這項技術(shù)使FinFET的靈活性更接近于基于納米片的GAAFET，后者可提供可調節的通道寬度，以獲得更高的性能或更低的功耗。

值得注意的是，FinFlex不能替代節點(diǎn)專(zhuān)業(yè)化（性能、密度、電壓），因為工藝技術(shù)比單一工藝技術(shù)中的庫或晶體管結構有更大的差異。

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)，因此我們不再看到臺積電和其他代工廠(chǎng)每?jì)赡昃蜁?huì )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。

這意味著(zhù)臺積電將需要提供N3的增強版本，以滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求，這些客戶(hù)仍在尋求每瓦性能的改進(jìn)以及晶體管密度每年左右的提升。在2022年臺積電技術(shù)研討會(huì )上，出的四種N3衍生制造工藝（總共五個(gè)3nm級節點(diǎn)）—— N3E、N3P、N3S和N3X。

臺積電及其客戶(hù)需要多個(gè)版本的N3的另一個(gè)原因是，它的N2依賴(lài)于使用納米片實(shí)現的全新柵極環(huán)繞場(chǎng)效應晶體管（GAA FET），預計這將帶來(lái)更高的成本、新的設計方法、新IP和許多其他變化。

雖然尖端芯片的開(kāi)發(fā)人員將很快轉向N2，但臺積電的許多普通客戶(hù)將在未來(lái)幾年堅持使用各種N3技術(shù)。與臺積電的N7和N5一樣，N3將成為世界上最大的半導體對比度制造商的另一個(gè)持久節點(diǎn)系列。

臺積電N3E是N3的升級版

根據臺積電的說(shuō)法，與N5工藝相比，N3工藝可降低約25-30%的功耗，性能提升10-15%，晶體管密度提升約70%。但N3工藝存在一個(gè)天然缺陷，那就是只適合制造特定的產(chǎn)品，較高的成本也讓人望而生怯。

N3是為特定類(lèi)型應用量身定制的，因此它的工藝窗口相對較窄（產(chǎn)生確定結果的一系列參數），在良率方面并不適合所有應用。這就輪到N3E上場(chǎng)了。

據悉，臺積電的N3E技術(shù)是目前第一代3nm技術(shù)（N3）的升級版，臺積電首席執行官透露，“N3E將進(jìn)一步擴展我們的N3系列，提高性能、功率和良率。我們觀(guān)察到N3E的客戶(hù)參與度很高，量產(chǎn)計劃在N3之后一年左右，或者大約明年這個(gè)時(shí)候?！?/p>

泄露出的臺積電PPT顯示，新一代N3E工藝良率超過(guò)預期，其中N3E的256Mb SRAM平均良率約為80%，移動(dòng)設備以及HPC芯片的良率也為80%左右，而環(huán)式振蕩器良率甚至能超過(guò)92%。業(yè)界認為N3E工藝量產(chǎn)時(shí)間將會(huì )提前到23Q2，而且將會(huì )成為各大廠(chǎng)商明年新品的量產(chǎn)主力。

與N5相比，N3E的功耗（在相同的性能和復雜性下）將降低34%或性能提高18%（在相同的功耗和復雜性下），并將邏輯晶體管密度提高1.6倍。但權衡是該節點(diǎn)的邏輯密度略有降低：據了解N3E在N3基礎上減少了EUV光罩層數，從25層減少到21層，邏輯密度低了8%?？偟膩?lái)說(shuō)，N3E看起來(lái)是比N3更通用的節點(diǎn)。

在今年8月份，就有爆料稱(chēng)臺積電內部決定放棄N3工藝，因為客戶(hù)都轉向了2023年下半年量產(chǎn)降本的N3E工藝，其中放棄的客戶(hù)中就包括了蘋(píng)果。只不過(guò)截至目前，蘋(píng)果方面都還沒(méi)有對A17芯片工藝的諸多消息做出官方表態(tài)。

而依據這一次的最新消息，除了A17芯片，部分Mac電腦的芯片也將采用N3E工藝。此外，知情人士還透露稱(chēng)，作為臺積電另一大客戶(hù)的英特爾，已經(jīng)將3nm芯片的訂單推遲到2024年或者更靠后。

蘋(píng)果之前也一直被傳將會(huì )使用臺積電的3nm工藝，所以之前一直傳的M2芯片將會(huì )使用3nm工藝的傳言，也在M2芯片發(fā)布的時(shí)候被不攻自破，但是蘋(píng)果仍然是表示之后會(huì )成為臺積電的3nm工藝客戶(hù)。

N3E工藝之所以能夠成為大家想要的，除了技術(shù)的升級之外，還和良品率有很大的關(guān)系，良品率一直都是這些大企業(yè)在供應商上面挑選的一個(gè)很大的點(diǎn)。

3nm制程競賽誰(shuí)會(huì )是冠軍

3nm制程的復雜度比7nm和5nm更高，且對資金、人力等各種資源的要求更高，當下，也只有三星和臺積電能夠延續這一游戲。

然而，三星的良率問(wèn)題一直困擾著(zhù)它，這也是之前7nm、5nm制程一直被臺積電壓制的主要原因，爭取在良率方面有質(zhì)的飛躍，從而贏(yíng)得更多客戶(hù)的信心是三星必須解決的問(wèn)題。

英特爾的新GPU會(huì )在明年采用臺積電的3nm制程，AMD的Zen 5架構部份產(chǎn)品已確定采用臺積電3nm制程，不過(guò)也要等到2024年。此外，英偉達、聯(lián)發(fā)科、高通、博通等大客戶(hù)，同樣會(huì )在2024年采用3nm制程量產(chǎn)各自的新產(chǎn)品。

對此臺積電回應指出：“臺積公司不評論個(gè)別客戶(hù)業(yè)務(wù)。公司產(chǎn)能擴充項目按照計劃進(jìn)行?！绷硗?，調研機構以賽亞調研也指出，3/5nm等先進(jìn)制程有八成左右是共用機臺，因此臺積電可以根據其他制程客戶(hù)的需求彈性調配。

這樣一來(lái)，三星似乎就多了一些時(shí)間去爭取客戶(hù)，相對于在7nm、5nm量產(chǎn)時(shí)的客戶(hù)爭奪戰而言，三星在3nm處的操作空間或許更大一些。

同時(shí)由于客戶(hù)產(chǎn)品日程的推遲，臺積電決定放慢擴產(chǎn)進(jìn)度，以確保產(chǎn)能不會(huì )過(guò)度閑置，導致巨大的成本攤銷(xiāo)壓力。除了正式通知設備供應商公司有意調整2023年設備訂單外，由于3nm擴產(chǎn)成本高昂，集邦咨詢(xún)預計此舉還將影響臺積電2023年CapEx計劃的部分內容。因此，臺積電2023年的資本支出規?？赡艿陀?022年。

面對三星的追趕，臺積電也是壓力山大，不進(jìn)則退，該公司每年都在增加資本支出，其中一大部分都是用于最先進(jìn)制程工藝的研發(fā)和晶圓廠(chǎng)建設。不過(guò)，這樣的高投入是否能夠長(cháng)期延續下去，還要畫(huà)一個(gè)問(wèn)號。未來(lái)，在投入新技術(shù)研發(fā)和成本控制之間的平衡，或許會(huì )成為一個(gè)越來(lái)越重要的課題。

要想實(shí)現3nm制程量產(chǎn)，巨額投入是必不可少的，特別是購買(mǎi)相關(guān)設備的資金量巨大，即使是臺積電這樣的廠(chǎng)商也不得不精打細算。為了控制成本，臺積電專(zhuān)門(mén)制定了EUV改善計劃，并改良EUV光刻機設計，以及導入先進(jìn)封裝，以求更多客戶(hù)愿意采用3nm制程。

值得一提的是，臺積電今年7月實(shí)現營(yíng)收1867億新臺幣，同比增長(cháng)49.9％，環(huán)比增長(cháng)6.2%。今年前7個(gè)月，營(yíng)收總計1.21萬(wàn)億新臺幣，同比增長(cháng)41.1%。展望下個(gè)季度，臺積電預估第3季合并營(yíng)收在198億-206億美元。隨著(zhù)臺積電的客戶(hù)推出3nm制程的產(chǎn)品，將為臺積電2024年的營(yíng)收表現注入動(dòng)力。