（美編：肖利亞）

經(jīng)濟(jì)觀察報(bào) 記者 沈怡然 一場關(guān)于3nm先進(jìn)工藝芯片的競賽開啟，臺(tái)積電仍然搶先一步。

8月30日，臺(tái)積電總裁魏哲家在2022年臺(tái)積電技術(shù)論壇上表示，3nm即將量產(chǎn)，時(shí)間就在2022年下半年。

受到疫情影響，臺(tái)積電技術(shù)論壇已經(jīng)有兩年未曾舉辦，時(shí)隔兩年重新舉辦的論壇帶來了臺(tái)積電3nm芯片的最新進(jìn)展。

“如果有手機(jī)的客戶當(dāng)下采用3nm芯片，明年產(chǎn)品就能問世。”臺(tái)積電副總監(jiān)陳芳在今年8月18日2022南京世界半導(dǎo)體大會(huì)的間歇上對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示。

9月1日，三星電子對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，第一代3nm芯片量產(chǎn)已于今年6月啟動(dòng)，第二代3nm芯片期待在2024年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，目前該計(jì)劃正照常推進(jìn)。

3nm是目前芯片的一種工藝制程，指芯片中一根晶體管源極和漏極（通俗指的電路正負(fù)極）之間的距離，電子像水流一樣從源流到漏，中間僅有納米級(jí)的間距，而一塊先進(jìn)工藝芯片內(nèi)，通常有數(shù)億個(gè)的晶體管且排布復(fù)雜，越先進(jìn)的工藝生產(chǎn)，芯片越微縮、晶體管越密集，芯片的性能也越強(qiáng)。

由于在22nm節(jié)點(diǎn)上引用FinFET技術(shù)，將晶體管以3D形式排步，芯片的工藝無法只用納米來衡量，但業(yè)內(nèi)仍保留了這個(gè)稱呼。

量產(chǎn)終點(diǎn)逼近，圍繞3nm節(jié)點(diǎn)，全球巨頭們的競賽正在激烈進(jìn)行。

臺(tái)積電壟斷了全球75%以上的晶圓代工先進(jìn)工藝市場，在先進(jìn)制程上，客戶無法找到臺(tái)積電的替代品，這也賦予了臺(tái)積電更強(qiáng)的議價(jià)能力，如今在3nm上，三星電子是最有希望做出臺(tái)積電競品的公司，這讓客戶有了第二個(gè)選擇。三星電子背后的韓國政府，正在對(duì)半導(dǎo)體制造業(yè)給予更多資金和技術(shù)的支持。

在上述兩家巨頭外，英特爾也計(jì)劃重返3nm戰(zhàn)場，英特爾在今年4月表示，Intel3（約合7nm）將于2023年下半年量產(chǎn)。該公司的新任首席執(zhí)行官基辛格上任后，啟動(dòng)了IDM2.0計(jì)劃，試圖重返半導(dǎo)體代工業(yè)務(wù)。

臺(tái)積電在財(cái)報(bào)會(huì)中稱3nm是一個(gè)龐大而持久的節(jié)點(diǎn)。

在摩爾定律的主導(dǎo)下，芯片制程延著14nm-7nm-5nm-3nm的路徑不斷迭代，在相當(dāng)長的時(shí)間中，這似乎是一個(gè)顛撲不破的產(chǎn)業(yè)規(guī)律。

但3nm這一節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)了不同的特征，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的研發(fā)和生產(chǎn)的成本極高，這也增加了供應(yīng)商和客戶的風(fēng)險(xiǎn)，所有的玩家極力地在先進(jìn)技術(shù)與成本之間尋求平衡。而其所處的半導(dǎo)體行業(yè)則處于周期拐點(diǎn)之上，消費(fèi)電子下行，智能手機(jī)對(duì)先進(jìn)芯片的牽引力出現(xiàn)不足。

在這場巨頭競爭的背后，真正的客戶市場又在何處？

保守VS激進(jìn) 巨頭的技術(shù)分歧

巨頭們頑強(qiáng)延續(xù)摩爾定律，在3nm節(jié)點(diǎn)上采用不同的路徑：三星電子采用GAA（GateAllAround）晶體管架構(gòu)，臺(tái)積電繼續(xù)沿用鰭式場效電晶體（Fin－FET）架構(gòu)。

GAA和FinFET被認(rèn)作是延續(xù)摩爾定律的兩種技術(shù)方向，過去的先進(jìn)工藝普遍采用FinFET。三星電子對(duì)記者表示，這一次三星首次采用GAA技術(shù)，選擇了一種使用通道更寬的納米片（Nanosheet）的方式，相比通道較窄的納米線（Nanowire）方式來說，可實(shí)現(xiàn)更高性能和更高能效。

三星電子對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，三星采用了GAA工藝的第一代3nm，比5nm可降低高達(dá)45%功耗，提升23%性能，減少16%的面積，至第二代則降低高達(dá)50%功耗，提升30%性能，減少35%的面積。

三星電子方面對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，在3nm節(jié)點(diǎn)，GAA工藝可以克服Fin－FET工藝的限制，“它將成為游戲規(guī)則的改變者”。

相比之下，臺(tái)積電選擇繼續(xù)沿用FinFET工藝，臺(tái)積電總裁魏哲家的理由是，“選擇沿用FinFET，是經(jīng)過考慮良久，制程技術(shù)推出不是（為了）好看，是要實(shí)用，要協(xié)助客戶讓產(chǎn)品持續(xù)推進(jìn)。”

此時(shí)，臺(tái)積電明確了第一代3nm相較于5nm，其晶圓密度高出1.3倍，在相同速度下功耗降低30-35%，在相同功耗下速度提升15-20%。魏哲家在2022年臺(tái)積電技術(shù)論壇暗指競爭對(duì)手，“對(duì)手的3nm比臺(tái)積電的4nm還有些差距”。

一位國產(chǎn)芯片代工業(yè)人士對(duì)記者表示，在晶圓生產(chǎn)方面，三星電子的策略偏激進(jìn)，臺(tái)積電偏保守，這體現(xiàn)在器件性能工藝方向的選擇上。GAA堆疊納米片架構(gòu)更新，技術(shù)目前的穩(wěn)定性、是否適合于3nm節(jié)點(diǎn)，還沒有一個(gè)定論。

臺(tái)積電雖保守采用FinFet工藝，但也運(yùn)用FinFlex技術(shù)做出一定創(chuàng)新。臺(tái)積電（中國）有限公司副總監(jiān)陳芳表示，按照FinFet工藝路線走下去，從N16發(fā)展到N5，邏輯單元FIN的數(shù)目從 3FIN減少到了 2FIN，5NM就是2FIN，但是在3nm節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)把邏輯單元的FIN數(shù)目繼續(xù)減少到1FIN，就會(huì)碰到速度嚴(yán)重下降的問題。

為了平衡FIN的數(shù)目以及速度的需求，臺(tái)積電開發(fā)了一套全新的標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元：即在一個(gè)邏輯區(qū)域內(nèi)，把2FIN的邏輯單元和1FIN的邏輯單元進(jìn)行交錯(cuò)組合，從而在密度得以提升的形態(tài)狀態(tài)下，同時(shí)達(dá)到功耗和速度的一種平衡。

投資與良率

2016年9月，臺(tái)積電共同CEO劉德音首次透露了3nm制程的進(jìn)度，他表示，目前組織了300-400人的團(tuán)隊(duì)研發(fā)中。2018年，臺(tái)積電披露公司董事會(huì)已批準(zhǔn)了一項(xiàng)約45億美元的資本預(yù)算，未來將會(huì)使用該預(yù)算來修建新的晶圓廠。

2018年，三星電子在位于美國的2018年三星半導(dǎo)體代工論壇上，公布其全面的芯片制程技術(shù)路線圖，其中包括5nm、4nm、3nm三個(gè)先進(jìn)制程。

與此前的制程相比，3nm由于逼近物理極限，對(duì)于技術(shù)和成本提出了更高的要求。

過去三年，臺(tái)積電的資本支出增加了超過一倍，從2019年低于150億美元，增加至2021年的300億美元，2022年的資本支出計(jì)劃達(dá)到了400-440億美金。

三星半導(dǎo)體的資本支出也保持了強(qiáng)勁的增長，2018年的支出達(dá)到216億美元，2019年達(dá)到193億美元，據(jù)《韓國先驅(qū)報(bào)》報(bào)道，三星電子在半導(dǎo)體領(lǐng)域的資本支出在 2020年和2021年的資本支出分別達(dá)到了277億美元和337億美元。

巨頭的資本支出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前5nm、7nm量產(chǎn)前的幅度。

聯(lián)華電子業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁WalterNg說：“在前沿節(jié)點(diǎn)，晶圓成本是天文數(shù)字，因此很少有客戶和少數(shù)應(yīng)用能夠負(fù)擔(dān)得起利用昂貴的工藝技術(shù)。該公司參與代工產(chǎn)業(yè)多年，在進(jìn)入10nm節(jié)點(diǎn)前放棄了先進(jìn)工藝，現(xiàn)以成熟工藝為主。”

摩爾定律發(fā)揮的經(jīng)濟(jì)效益正在衰減。根據(jù)IBS的預(yù)測(cè)，對(duì)制造廠而言，從7nm到3nm節(jié)點(diǎn)，成本上漲了67%，平均的晶圓價(jià)格增長了55%。

根據(jù)IBS數(shù)據(jù)，僅僅是芯片設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，5nm的成本約5.422億美元，3nm會(huì)從5億美元到15億美元不等。

巨大的投入需要得到最終需要在市場中得到回報(bào)，而從研發(fā)走向市場，巨頭們即將邁出最關(guān)鍵的一步——量產(chǎn)。

臺(tái)積電將3nm的生產(chǎn)設(shè)施置于中國臺(tái)灣的新竹地區(qū)，整個(gè)7nm及以下的產(chǎn)能都則分布于中國臺(tái)灣和美國地區(qū)。根據(jù)臺(tái)積電2022年技術(shù)論壇，2018-2022年，臺(tái)積電先進(jìn)制程產(chǎn)能的年復(fù)合成長率為70%。三星電子將3nm生產(chǎn)設(shè)施放在韓國首爾南部的華城。

對(duì)于先進(jìn)工藝，良率至關(guān)重要，良率的高低也將與其收益、利潤直接掛鉤。

海外數(shù)碼科技媒體 Wccftech在2022年4月報(bào)道，三星電子的3nm工藝良率僅在10%-20%之間，遠(yuǎn)低于預(yù)期。目前臺(tái)積電沒公布良率情況。

芯片行業(yè)分析師姚嘉洋對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，3nm技術(shù)復(fù)雜度更高，初期的良率會(huì)相對(duì)5nm同期更低一些。

在姚嘉洋看來，良率的情況也會(huì)成為首批3nm客戶的擔(dān)憂，一些手機(jī)客戶會(huì)觀望至良率提升，產(chǎn)品成熟時(shí)再進(jìn)行采購。

第一批客戶

手機(jī)市場是芯片工藝研發(fā)不斷前進(jìn)的重要的牽引力，手機(jī)廠商往往是先進(jìn)制程的第一批采購商。

按照7nm、6nm芯片的路徑，從剛開始的智能手機(jī)、CPU/GPU、FPGA，擴(kuò)展到IOT、車用、消費(fèi)電子、RF射頻上。但是，成本越高，意味著高風(fēng)險(xiǎn)，手機(jī)廠商也會(huì)更多考量先進(jìn)技術(shù)與成本之間的平衡。

姚嘉洋預(yù)估，第一批手機(jī)芯片客戶要到2023年下半年才會(huì)采用3nm，在2024年搭載至手機(jī)上市。

姚嘉洋表示，預(yù)計(jì)蘋果陣營采用3nm芯片比安卓陣營要早，安卓陣營的高通的旗艦級(jí)芯片通常是在年度第四季發(fā)布，11、12月左右，相應(yīng)的晶圓量產(chǎn)在當(dāng)年三季度完成，而高通的第一波客戶通常都是小米為主。3nm的安卓手機(jī)很可能等到2024年第一季，最快也是要到2023年底才會(huì)上市，最有可能首發(fā)的是小米手機(jī)。“對(duì)于高通來和聯(lián)發(fā)科來說，并非一個(gè)很好的時(shí)機(jī)點(diǎn)。蘋果相對(duì)好些，因?yàn)閾碛行酒浇K端的全產(chǎn)業(yè)布局，成本控制上相對(duì)容易，”姚嘉洋說。

StrategyAnalytics芯片分析師SravanKundojjala認(rèn)為蘋果將在2023年率先采用3nm，Android廠商將在2024年躍升到3nm。

8月22日，來自中國臺(tái)灣的媒體Digitimes報(bào)道稱，首個(gè)采用臺(tái)積電3nm的客戶仍然是蘋果，但不同的是，或許用于蘋果的M2Pro芯片，最終搭載到MacBook?Air和MacBook?Pro。根據(jù)公開信息，這一代電腦產(chǎn)品將于2022年第四季度進(jìn)入量產(chǎn)階段。

新的市場博弈

與此前制程芯片產(chǎn)出背景不同的是，包括手機(jī)在內(nèi)的消費(fèi)電子行業(yè)正在經(jīng)歷寒冬。IDC、StrategyAnalytic等咨詢機(jī)構(gòu)均做出了2022年全年智能手機(jī)出貨量將會(huì)下降的判斷，下降幅度從6%-7%。

在這一情況下，下游客戶會(huì)有多大意愿為先進(jìn)制程買單成了問題。

一家位于下游的國內(nèi)大型封測(cè)企業(yè)人士對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，3nm作為一次技術(shù)升級(jí)，上下游是有聯(lián)動(dòng)的，但能帶來多大好處，更取決于下游市場的銷量。如果芯片需求沒有增加，僅僅是技術(shù)節(jié)點(diǎn)的切換，并不意味著帶來更多訂單。目前看到消費(fèi)電子的需求還是比較低迷，相比之下，還是下游反彈的利好更大。

姚嘉洋認(rèn)為，3nm的高壁壘，使有能力買單的客戶會(huì)比5nm同期更少。Sra－van認(rèn)為，3nm的退出成本非常高，限制了可以投資和采用3nm公司的數(shù)量。

在這一情況下，巨頭開始尋找新的客戶群體。

三星電子方面對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，正與多個(gè)高性能計(jì)算（HPC）和移動(dòng)設(shè)備客戶討論訂單。

對(duì)于3nm的市場需求，三星保持了積極的態(tài)度，三星電子方面對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)表示，晶圓代工市場將保持對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)勁需求，三星電子有能力通過調(diào)整納米片的溝道寬度，以改善功耗和性能，滿足客戶的各種需求，這尤其體現(xiàn)在第二代3納米GAA工藝對(duì)芯片尺寸、性能和能效的提升上。

臺(tái)積電領(lǐng)先一步，已經(jīng)有了第一批客戶，且正在積極采用，它們來自移動(dòng)和HPC，預(yù)計(jì)3nm的NTO（NewTapeOut，指新產(chǎn)品流片）是同一時(shí)期5nm的兩倍。

姚嘉洋認(rèn)為，與前幾代不同的是，3nm客戶將不再以手機(jī)為主。

“更為特殊的一點(diǎn)是，3nm將與計(jì)算公司高度相關(guān)”，Sravan表示。

臺(tái)積電在3nm的產(chǎn)品策略發(fā)生了變化：在推出3nm的同時(shí)，還規(guī)劃了4個(gè)加強(qiáng)版分別是N3E（增強(qiáng)）、N3P（性能增強(qiáng)）、N3S（密度增強(qiáng)）和N3X（超高性能）。目前N3E已經(jīng)有客戶參與。

回顧臺(tái)積電技術(shù)路線，進(jìn)入7nm以來，公司將只針對(duì)7nm、5nm、4nm推出了1個(gè)加強(qiáng)版。同時(shí)推出5個(gè)產(chǎn)品組合，這在臺(tái)積電的歷史是很少見的。

不止于此，臺(tái)積電首次采用上述FINFLEX創(chuàng)新技術(shù)，一方面是為了提升性能，另一方面，陳芳稱，簡單來說，這種技術(shù)為芯片設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。通常在一個(gè)邏輯區(qū)域內(nèi)，不同組合可以形成不同的性能側(cè)重，有的為滿足高運(yùn)算要求，有的為滿足最低漏電和最低功耗要求。

姚嘉洋表示，可以看出臺(tái)積電的策略是，滿足不同行業(yè)客戶的需求，想要容納更多的客戶群。這和臺(tái)積電自身客戶結(jié)構(gòu)正在發(fā)生轉(zhuǎn)換有關(guān)。臺(tái)積電的業(yè)務(wù)板塊分為手機(jī)、HPC（高性能計(jì)算）、Iot、汽車和DCE。2022年Q1臺(tái)積電的手機(jī)收入以38%份額退居第二，首次低于HPC業(yè)務(wù)。

HPC包含數(shù)據(jù)中心、AI、FPGA和網(wǎng)絡(luò)四大應(yīng)用，主要廠商有英特爾、英偉達(dá)、AMD，這些芯片除了用于手機(jī)，還能用于服務(wù)器處理器和臺(tái)式機(jī)處理器。姚嘉洋表示，和手機(jī)相比，這些設(shè)備對(duì)芯片的要求不在于微縮化，而是能否功耗更低、能否支撐更大的算力。

這些處理器的大量疊加，構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心、智能計(jì)算中心、超算中心等大型基礎(chǔ)設(shè)施。通俗理解為，這些芯片都是支撐政企數(shù)據(jù)上云、數(shù)字化進(jìn)程的底層元器件，無論政府、學(xué)術(shù)、商業(yè)都需要用到，可以說是“新基建”的底層支撐。

在臺(tái)積電看來，相比消費(fèi)電子，HPC顯示出了更強(qiáng)大的動(dòng)能。這背后也是整個(gè)半導(dǎo)體下游市場的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)換。據(jù)TrendForce機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，2021年全球高性能計(jì)算（HPC）市場規(guī)模約368億美元，增長7.1%，預(yù)計(jì)2022年將會(huì)增長7.3%達(dá)到397億美元。美國是HPC最大的市場，其次是中國和歐洲市場。

3nm與中國

SravanKundojjala表示，3nm技術(shù)的進(jìn)展，將可能對(duì)政治因素和國際關(guān)系產(chǎn)生潛在影響。三星電子的3nm產(chǎn)品，將進(jìn)一步加強(qiáng)韓國和臺(tái)灣在領(lǐng)先領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。鑒于3nm技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)國家的重要性，各國與中國臺(tái)灣的關(guān)系將被視為更具戰(zhàn)略性。美國和歐洲可能會(huì)爭取臺(tái)積電和三星電子在其海岸建立工廠。

中國大陸最大的制造廠中芯國際，具備人才、資金和市場優(yōu)勢(shì)，大量訂單在手，然而，它面臨以美國為主的半導(dǎo)體技術(shù)禁運(yùn)，包括EUV光刻機(jī)等關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，因?yàn)樾酒瑥纳a(chǎn)端就是全球化的，臺(tái)積電、三星電子的生產(chǎn)設(shè)備、耗材也來自全球多個(gè)國家，所以，地緣政治因素，對(duì)中芯國際先進(jìn)工藝研發(fā)產(chǎn)生較大限制。從公開消息看，中芯國際的先進(jìn)工藝的量產(chǎn)停留在14nm。

Sravan表示，缺乏14nm及以下工藝的設(shè)備，限制中國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。然而，中國可以繼續(xù)關(guān)注成熟節(jié)點(diǎn)（28nm及以上），以嘗試占據(jù)領(lǐng)先位置。因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)在成熟節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能方面正在爆發(fā)。根據(jù)SEMIWorldFabWatch報(bào)告數(shù)據(jù)，10nm以下先進(jìn)工藝僅占全球半導(dǎo)體產(chǎn)能5.9%份額，絕大部分芯片仍在運(yùn)用各種成熟工藝。

Sravan稱，考慮到中國對(duì)高通等公司的重要性，中國不太可能在成熟節(jié)點(diǎn)上面臨更大的貿(mào)易阻力。