3纳米制程之战，谁能赢？丨C次元

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2021/03/05

INTEL不服，3纳米真的是3纳米？

文丨王小西

编辑丨小叮当

汽车芯片短缺造成焦头烂额之际，台积电（TSMC）与三星电子的3纳米芯片制程大战却到了紧要关头。

近日，有外媒报道台积电再次发布提升3纳米工艺产能的消息。作为苹果主要芯片供应商，台积电有望在今年下半年开始3纳米工艺芯片的试生产。

实际上，去年年中的时候，台积电已经宣布过计划提升3纳米工艺产能，2022年中将3纳米工艺的月产能提升到5.5万块，并在2023年将产能进一步扩大到10.5万块。与此同时，台积电还计划在今年内扩大5纳米芯片的产能，以满足其主要客户日益增长的需求。

与5纳米工艺芯片相比，3纳米芯片在功耗和性能方面分别提升30%和15%。这是科技公司们排队等待台积电晶圆的原因之一。不过，我们还是要问，这场竞争的制程极限在哪里？

 3纳米的极限

晶圆真的是门好生意。据调研机构IC Insights估计，2020年台积电每片晶圆的营收达1,634美元，居同业之冠。台积电较格罗方德984美元高约66%，也比中芯684美元及联电675美元高出1倍以上。

由于台积电去年是全球独家能同时量产7纳米与5米工艺晶圆的代工厂，据IC Insights估计，有16 家年营收超过10亿美元IC设计厂排队，等待台积电的新产品，这也推升了其晶圆的营收暴增。

除了5纳米，台积电即将发力的是最先进的3纳米制程工艺。实际上，早在2017年9月29日，台积电宣布未来3纳米（nm）制程晶圆厂，落脚台湾台南市的南部科学工业园区（简称“南科”），当时预计最快2022年量产。

目前，台积电在南科有3座晶圆厂，分别是晶圆14厂、晶圆18厂和晶圆6厂。其中，14厂和18厂是12英寸晶圆，6厂是8英寸晶圆。而晶圆18厂是5纳米制程的主要生产基地。台积电3纳米制程的晶圆厂，也建在18厂内。

2020年一季度，台积电宣布3纳米制程将在2021年试产，并在2022下半年正式量产，如今宣布提升产能，一方面是需求的强力推动，另一方面也是技术方面的不断提升。而从技术的投入来说，台积电董事长刘德音曾经表示，为了3纳米制程技术，台积电于南科厂的累计投资将超过新台币2万亿元（约4630亿元人民币）。

在向3纳米跑步前进的道路上，台积电的对手三星，2019年5月就表示其3纳米预计2021年推出（2020年试产）。而INTEL预计2025年才能推出（老实人啊，不玩数字游戏）。只是后来由于2020年的疫情影响，三星的3纳米制程推出时间延后到了2022年。

而说到INTEL，对于台积电的10纳米及以下的工艺说法是颇有微词的，INTEL认为台积电和三星在偷换概念。因为，业内讲的“制程工艺就是栅极的宽度”，在节点技术不断推进的过程中，制程工艺的数字已经和栅极的实际宽度发生了偏离。也就是，栅极实际宽度越来越达不到制程工艺说的那个数字。

所以，这一切都变成了营销游戏。自从三星开了这个坏的头，台积电也这么玩了。2019年，台积电研发负责人黄汉森也曾坦承，“现在描述工艺水平的 XXnm 说法已经不科学，因为它与晶体管栅极已经不是绝对相关，制程节点已经变成了一种营销游戏，与科技本身的特性没什么关系。”

不过这个游戏还是得进行下去。而根据IEEE的国际装置与系统发展路线图2017预计，3纳米制程将在2024年量产，后继者是2.1纳米（2027）、1.5纳米（2030）和1纳米（2033）。台积电和INTEL皆规划以2纳米作为接续3纳米的制程，台积电预计2024年量产，INTEL预计2027年推出。

你可以看到，INTEL的2025年量产3纳米相对来说似乎更真实点。而从摩尔定律的发展终极来讲，INTEL的路线图以1.4纳米（2029年）作为2纳米的继承者，台积电亦表示后续会发展至1纳米。不管怎么说，这场烧钱、烧技术的“微观”大战，还要拼很久。

3纳米用GAA

我们从技术来说说未来即将发生的变化。台积电的3纳米制程将继续采用FinFET（鳍式场效应晶体管）。而三星则是直接采用GAA（Gate-All-Around FET，全环绕式结构场效应晶体管）。不过，台积电去年也正式宣布，将在2纳米节点引入GAA技术。

那么说到FinFET（鳍式场效应晶体管），就得说到半导体的技术发展史，其本质其实就是晶体管尺寸的缩小史。从上世纪七十年代的10微米节点开始，半导体的发展一直遵循着摩尔定律。

在发展的过程中，自从22纳米节点上被英特尔首次采用，FinFET在过去的十年里成了成为了半导体器件的主流结构。不过，到了5纳米节点之后，鳍式结构已经很难满足晶体管所需的静电控制，漏电现象在尺寸进一步缩小的情况下急剧恶化。台积电非常明白这种境况。

因此，半导体行业也需要一个新的解决方案。正是基于这一原因，GAA被广泛认为是鳍式结构的下一代接任者。当然，不管是先前的MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）、当下的FinFET还是未来的GAA，虽然形状和材料发生了变化，但说到底都是场效应晶体管（FET，Field-Effect Transistor）。

2019年，在三星晶圆制造论坛（Samsung Foundry Forum）上，三星明确表示将会在3纳米节点放弃鳍式结构，转向GAA技术。这场大战在3纳米节点上即将爆发。

此外，目前英特尔仍然受困于7纳米技术难产，尚未给出何时引入GAA的具体计划。但英特尔的首席技术官麦克迈克·梅伯里博士曾在去年表示希望能在五年之内实现GAA技术的量产。不过，虽说目前台积电气势如虹，但要说INTEL就“弱鸡”了，还是很不恰当。

还有一个关于未来技术走向的问题是，根据当前预计，水平方向上的GAA足以维持栅线的周期从54纳米缩减到30~40纳米左右（2~3代节点）。但是，此后晶体管的发展，则充满了挑战与不确定性。

而目前已知的几种备选方案中，垂直纳米线结构、互补式结构、堆叠式结构是较为可行的方案。这些新型的结构理论上都比GAA的结构具备更加优越的性能，但是也需要更为先进的工艺水平才能实现商业化生产。从目前的信息来看，互补式结构最有可能成为GAA之后的选择。

而今，由于3纳米制程技术难度非常大，三星美国工厂也就是德州奥斯汀的晶圆工厂，在2023年前恐怕还难以正式量产。这对于力求赶超台积电的三星来说，压力依然不小。

有业内人士分析，就目前台积电所公布的制程推进状况来看，采用EUV光刻（Extreme ultraviolet lithography，极紫外光光刻）的5纳米良品率已经快速追上7纳米，甚至有业内人士预期台积电的3纳米试生产良品率即可达到9成。

所以，就算三星能依靠国内工厂2022年提前量产3纳米GAA，但在性能上未必能压得过台积电，在3纳米制程这场“龙争虎斗”中，鹿死谁手还需要拭目以待。

｜王小西｜

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