12月24日，臺積電發(fā)布通知：29日在臺南科學(xué)園區的芯片工廠(chǎng)，舉行3nm量產(chǎn)典禮。臺積電趕在2023年前量產(chǎn)3nm芯片。

這是繼三星電子后，又一家量產(chǎn)3nm芯片的公司。但實(shí)際上，臺積電的3nm更靠譜。

那么問(wèn)題來(lái)了，臺積電3nm芯片究竟多厲害？?jì)鹊匦酒圃炱髽I(yè)中芯國際，多久才能追上臺積電？

臺積電3nm芯片

芯片領(lǐng)域，制程之爭是非常激烈的，拿到了先進(jìn)的制程，就好比拿下了關(guān)鍵賽點(diǎn)。為此花費的成本也是巨大的。

芯片廠(chǎng)建設初期，80%的成本來(lái)自設備，一臺EUV光刻機就高達1.5億美元。加上材料、化學(xué)品、工具維護、能源投入，總成本高的嚇人。

臺積電在亞利桑那州建造的芯片廠(chǎng)初始預算為120億美元，現在追加到了400億美元，當然產(chǎn)能也提升至每月 50,000 片晶圓。

總的來(lái)說(shuō)，芯片制程越小，成本就越高。臺積電3nm工藝要比5nm工藝成本高38%到 55%。定價(jià)方面，3nm也比5nm 高約40%。

臺積電3nm工藝分為多個(gè)技術(shù)節點(diǎn)，N3、N3E、N3P和N3X。

其中，N3為標準版，就像iPhone的標準版一樣。性能升級并不明顯。

臺積電最初表示，N3在同等功率下性能提升約12%，同等性能下功耗降低27%。靜態(tài)存儲芯片密度提升20%，處理器密度提升10%。

但實(shí)際上并非如此，存儲芯片密度提升只有5%。蘋(píng)果也是考慮到這個(gè)因素，再加上成本因素，蘋(píng)果果斷拒絕了臺積電的N3工藝。

N3E是增強版，預計量產(chǎn)時(shí)間為2023年底或2024年初。

N3E在N3的基礎上，性能提升、功耗降低、應用范圍也更大。比N5E同性能下功耗下降34%，同功耗下性能提升18%。

晶體管密度也進(jìn)一步提升，模擬電路提升20%，靜態(tài)存儲提升30%，邏輯電路提升50%。

同時(shí)，臺積電還稱(chēng)：N3E可以達到比N4X更高的頻率。

此外， N3E最大的特色就是可以根據客戶(hù)需求定制柵極和鰭片數量，制造出的芯片性能、功耗、面積也就不一樣。

例如：

2個(gè)柵極1個(gè)鰭片，性能提升11％、功耗降低30％、面積縮小36％；

2個(gè)柵極2個(gè)鰭片，性能提升23％、功耗降低22％、面積縮小28％；

3個(gè)柵極2個(gè)鰭片，性能提升33％，功耗降低12％，面積縮小15％。

N3P可以參考N4P

2021 年底，臺積電宣布 N4P ，這是 N4 的工藝優(yōu)化。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn) FEOL 和 MOL，臺積電 的性能比 N4 又提高了 6%，功耗比 N5 降低了 22%。

N3P 將是 N3E 的后續節點(diǎn)。它與 N4P 非常相似，通過(guò)優(yōu)化提供較小的性能和功率增益，同時(shí)保持 IP 兼容性。

性能提升方面預計和N4P接近。

N3X是3nm的最終版本

N3X 與 N4X 類(lèi)似，并針對非常高的性能進(jìn)行了優(yōu)化。到目前為止，功率、性能目標和時(shí)間表尚未公布。

可以確定的是，N3X是超高性能版 ， 甚至在一定程度上不在乎功耗和成本。

總之，臺積電作為先進(jìn)工藝的代表，在3nm工藝上投入了巨大的人力、物力、財力，足見(jiàn)對3nm工藝的重視。

競爭對手三星的3nm技術(shù)如何呢？又會(huì )與臺積電展開(kāi)什么樣的競爭呢？

臺積電與三星的3nm之爭

臺積電是全球領(lǐng)先的芯片制造商，也是全球首家專(zhuān)業(yè)代工芯片的企業(yè)，它開(kāi)創(chuàng )了芯片領(lǐng)域的全新模式。

根據相關(guān)數據，臺積電掌握了全球53.6的芯片制造份額，位居全球第一，三星電子以16.3%位居第二。

為了追趕、超越臺積電，三星電子定下了宏偉的目標：在2030年的時(shí)候，趕超臺積電。

為此，三星電子強行上3nm工藝，并在今年6月宣布量產(chǎn)3nm芯片，成為全球首家量產(chǎn)3nm芯片的半導體晶圓代工廠(chǎng)。

三星電子3nm工藝采用了GAA（全環(huán)繞柵極）制程工藝，芯片性能比5nm提升23%，功耗下降45%，面積減少16%。第二代3nm性能提升30%，功耗降低50%，面積減少35%。

但實(shí)際上，直到現在三星的3nm工藝也沒(méi)有客戶(hù)，大客戶(hù)高通更是將8 Gen 2的產(chǎn)能轉移到臺積電旗下了。

而臺積電依然選擇了Fin－FET架構（鰭式場(chǎng)效電晶體）制造工藝。

臺積電表示：第一代3nm工藝較5nm性能提升15-20%，功耗降低30-35%，晶體管密度提高1.3倍。同時(shí)做了技術(shù)創(chuàng )新，使功耗和速度更加平衡。

同時(shí)表示：三星的3nm比臺積電的4nm還有些差距。

其實(shí)，三星和臺積電的選擇都沒(méi)有錯。

三星是千年老二，要想逆襲臺積電，自然不能走尋常路。而GAA就是它逆襲的法寶。

GAA中文全稱(chēng)為全環(huán)柵晶體管，是能夠延續摩爾定律的新興技術(shù)路線(xiàn)，可進(jìn)一步增強柵極控制能力，克服當前技術(shù)的物理縮放比例和性能限制。

GAA晶體管靜電特性更優(yōu)秀，可滿(mǎn)足更多柵極寬度的需求。在同等尺寸下，GAA溝道控制能力增強，在尺寸上可以做的更窄。

傳統FinFET的溝道僅三面被柵極包圍，而GAA納米線(xiàn)采用溝道設計，可以被柵極完全包裹，意味著(zhù)柵極對溝道的控制性能更好。

總的來(lái)說(shuō)：GAA比FinFET的柵極控制能力更好，具有更高的有效溝道寬度，能夠提供更高的性能，也能降低15%到20%的功耗。

臺積電選擇FinFET晶體管，主要是基于兩點(diǎn)考慮：一是、成本更具優(yōu)勢；二是、風(fēng)險更小。

成本是不得不提的話(huà)題，無(wú)論是多么強大的技術(shù)，最終都要轉化為成果，也就是要大范圍普遍性的使用，芯片技術(shù)更是如此。

新工藝就意味著(zhù)要從設計、工具、驗證、測試等多個(gè)環(huán)節進(jìn)行改變，所產(chǎn)生的時(shí)間和經(jīng)濟成本是巨大的，這些成本最終會(huì )傳遞到客戶(hù)、消費者手中。

5nm的晶圓開(kāi)發(fā)費用高達4.76億美元，3nm只會(huì )更高。最終產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì )更高，如果消費者不買(mǎi)賬，就會(huì )是虧本的買(mǎi)賣(mài)。

新工藝意味著(zhù)高性能、低功耗，但同時(shí)也要承擔高風(fēng)險。

如果3nm工藝翻車(chē)的話(huà)，那么臺積電恐怕要被老對手三星超越了。

如今臺積電掌控著(zhù)53%的芯片制造市場(chǎng)，而三星只有16%的份額，可以說(shuō)臺積電處于絕對優(yōu)勢。

未來(lái)，只要工藝不翻車(chē)，就可以掌控局面。

因此，臺積電更愿意選擇經(jīng)驗豐富的FinFET工藝。

3nm工藝上，臺積電與三星展開(kāi)白熱化競爭，而內地中芯國際還在14nm工藝上苦苦掙扎。

中芯國際落后3代

2000年8月，中芯國際在上海拔地而起，到了2002年，中芯國際就在日本設立了子公司。2004年，中芯國際在美國上市，2020年7月16日，中芯國際登科創(chuàng )板，正式宣布回歸。

中芯國際的創(chuàng )始人名叫張汝京，是一位極具愛(ài)國之心的科技人才。

張汝京，法羅紐約州立大學(xué)工程學(xué)碩士、南方衛理公會(huì )大學(xué)電子工程博士，畢業(yè)后進(jìn)入德州儀器工作。

在德州儀器他認識了杰克·基爾比，杰克·基爾比是集成電路的發(fā)明者之一，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

因為能力、學(xué)識超強，張汝京在德州儀器獲得了重用——建造芯片廠(chǎng)。

從美國到意大利、再到日本、新加坡、臺灣，張汝京帶著(zhù)團隊一口氣建造了10座工廠(chǎng)，張汝京成了建廠(chǎng)高手，德州儀器也成了最強大的芯片公司。

有了這些經(jīng)驗，張汝京在臺灣創(chuàng )建了世大半導體，最終被臺積電以50億美元收購。

張汝京輾轉來(lái)到上海，創(chuàng )建了中芯國際，中芯國際有人才、有技術(shù)同時(shí)得到了政府的支持，發(fā)展速度驚人。

但很快與臺積電發(fā)生了技術(shù)、專(zhuān)利方面的糾紛，臺積電將中芯國際告上法庭。

最終，中芯國際賠償臺積電1.75億美元的專(zhuān)利費，創(chuàng )始人張汝京被迫離職。

張汝京離職的原因是要把中芯國際完整的保存下來(lái)，今天我們看到的中芯國際大股東有：香港中央結算中心、大唐控股、國家集成電路基金、中國信息集團等，妥妥的中資控股。

張汝京離職后，中芯國際一度陷入了劇烈的人事變動(dòng)。

長(cháng)達6年的訴訟、多年的人事變動(dòng)讓中芯國際無(wú)瑕發(fā)展先進(jìn)工藝制程，直到梁孟松的到來(lái)。

梁孟松曾經(jīng)在臺積電、三星的技術(shù)部門(mén)擔任要職，現任中芯國際CEO。

梁孟松是電子工程學(xué)家，電機電子工程師學(xué)會(huì )院士，曾任AMD工程師、臺積電資深研發(fā)長(cháng)、三星電子公司研發(fā)副總經(jīng)理等職務(wù)。

梁孟松是典型的技術(shù)型人才技術(shù)大咖，獲得美國加州大學(xué)電機工程及計算機科學(xué)系博士學(xué)位，其導師是，舉世知名的FinFET發(fā)明人胡正明。

在美國專(zhuān)利局的資料庫里，梁孟松參與發(fā)明的半導體技術(shù)專(zhuān)利有181件，全部都是最先進(jìn)、最專(zhuān)業(yè)、最重要先進(jìn)制程的技術(shù)研發(fā)。

梁孟松曾助力臺積電在130nm芯工藝上擊敗IBM，后幫助三星在14nm結點(diǎn)擊敗臺積電。

梁孟松入駐中芯國際后，中芯國際先后完成28nm、14nm、12nm的量產(chǎn)，7nm的技術(shù)完成開(kāi)發(fā)，5nm、3nm關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)展開(kāi)，只待EUV光刻機。

也就是說(shuō)，中芯國際與臺積電在工藝上相差3代，3代需要多長(cháng)時(shí)間才能追平呢？

臺積電是2015年量產(chǎn)14nm的，到量產(chǎn)3nm用了7年時(shí)間，中芯國際2021年量產(chǎn)14nm，按照時(shí)間點(diǎn)推算，量產(chǎn)3nm要到2028年。也就是落后臺積電6年時(shí)間。

但實(shí)際上，7nm以下工藝需要EUV光刻機，沒(méi)有光刻機就只能卡在14nm。

令人無(wú)奈的是，EUV光刻機掌握在荷蘭ASML手中，僅此一家再無(wú)分店。

EUV光刻機大量的采用了歐美技術(shù)，因此ASML也要遵循漂亮國的芯片令，拒絕向中國出口EUV光刻機。

有的網(wǎng)友說(shuō)了，我們自己攻克EUV技術(shù)不就好了，可現實(shí)是EUV光刻機被稱(chēng)為工業(yè)皇冠上的明珠，是全球技術(shù)的集大成者。

一個(gè)國家獨立研發(fā)EUV光刻機，被稱(chēng)為是不可完成的任務(wù)。因此，中芯國際的工藝只能停止在14nm。落后于臺積電的3代，看起來(lái)遙遙無(wú)期。

寫(xiě)到最后

三星、臺積電先后量產(chǎn)3nm芯片，頂級芯片制造廠(chǎng)商展開(kāi)激烈的競爭，而中芯國際還在14nm玩泥巴。

未來(lái)7nm、5nm、3nm產(chǎn)能將全部被三星、臺積電瓜分殆盡，中芯國際恐怕連湯都喝不上，而華為的麒麟芯片恐怕只能在研發(fā)室中了。

未來(lái)，我們能攻克EUV技術(shù)嗎？中芯國際6年后能否量產(chǎn)3nm嗎？

我是科技銘程，歡迎共同討論！