3nm，手機(jī)芯片的全新戰(zhàn)爭

來源：雷科技數(shù)碼3C組?|?編輯：冬日果醬?|?排版：之秋

不管喜不喜歡今年的 iPhone 15，大概都會認(rèn)可一件事，很多人選擇購買 iPhone 15 Pro 系列的一大動機(jī)，就是沖著臺積電 3nm 工藝的 A17 Pro。

A17 Pro 采用了臺積電最新的 3nm 工藝（N3B）制造，晶體管數(shù)量達(dá)到了驚人的 190 億，這是全世界第一款采用臺積電 3nm 工藝的手機(jī)芯片，也是 3nm 工藝第一次出現(xiàn)普通人就可以買到的大眾消費(fèi)品上。

要知道，隨著芯片尺寸越來越逼近物理極限，每一代工藝節(jié)點(diǎn)升級需要投入也在加速增加，僅臺積電一家的 3nm 新增投入就超過了 200 億美元。

巨大的投入意味著巨大的成本，尤其是在前期工藝尚不成熟、良率較低的情況下，沒有多少行業(yè)和公司能夠負(fù)擔(dān) 3nm 芯片的制造成本。

這其中，智能手機(jī)一直是最有實(shí)力和動力推動先進(jìn)制程工藝不斷前進(jìn)的力量。

一方面是因?yàn)橹悄苁謾C(jī)需要在極小的內(nèi)部空間里塞下算力驚人的芯片，同時(shí)還要極可能降低芯片的功耗和發(fā)熱；

另一方面是芯片制造太燒錢，也只有一年就能賣出十多億臺的智能手機(jī)可以形成規(guī)模效應(yīng)，不斷推動先進(jìn)制程改進(jìn)工藝、提高良率，得以讓服務(wù)器、PC、游戲主機(jī)甚至是汽車用上更先進(jìn)的芯片制造技術(shù)。

但更大的投入、更先進(jìn)技術(shù)是不是就等同于「正確」？可能也未必，iPhone 15 Pro 系列的散熱風(fēng)波還沒有過去，關(guān)于良率或者說成本的拷問，也一直是 3nm 上空的「烏云」。

良率和成本，3nm 的一朵「烏云」

10 月 9 日，《科創(chuàng)板日報(bào)》引述業(yè)內(nèi)行業(yè)分析稱，三星、臺積電的 3nm 工藝良率目前都在 50%左右。一位接近三星的人士還透露，要贏得高通等大客戶明年的 3nm 移動芯片訂單，良率至少需要提高到 70%。

在半導(dǎo)體制造上，良率直接意味著一整片加工出來的晶圓上能正常工作的芯片的占比。通常來說，一片晶圓上可以同時(shí)制造出上百顆同樣的裸芯片，之后將晶圓片上的裸芯片切割開來，就可以封裝后安裝到產(chǎn)品上。

在成熟工藝上，代工廠的良率一般都能達(dá)到 99%，但在先進(jìn)制程上，由于工藝難度和前期的大量問題，良率就可能非常低。但按照慣例，代工廠并不負(fù)責(zé)承擔(dān)不良芯片的制造成本，這部分費(fèi)用還是由芯片設(shè)計(jì)客戶承擔(dān)，比如蘋果、英偉達(dá)。

當(dāng)然，「50%的良率」未必可信，此前就有大量各種來源的信息給出了各不相同的良率，包括 A17 Pro 從產(chǎn)業(yè)鏈傳出的良率就為 70-80%。但這些消息無一例外，都透露出一個(gè)關(guān)鍵信息，即 3nm 的良率很低。

良率越低，成本越高。

這也是為什么除了蘋果，其他所有主要芯片設(shè)計(jì)公司都沒有選擇在 2023 年這個(gè)節(jié)點(diǎn)采用 3nm 工藝，更多還是瞄準(zhǔn) N3B 之后的工藝。按照臺積電早前的規(guī)劃，臺積電 3nm 工藝其實(shí)是包括 N3B（即 N3）、N3E、N3P、N3X 等多個(gè)版本。

臺積電制程路線圖，圖/臺積電

甚至在業(yè)界傳聞中，就連蘋果也是與臺積電簽訂了一份「對賭」協(xié)議，規(guī)定未來一年臺積電 N3B 工藝為蘋果專用，且廢片均由臺積電承擔(dān)成本，而非蘋果買單。

而如果說良率很大程度上決定了 3nm 的成本居高不下，進(jìn)而提高了芯片設(shè)計(jì)公司導(dǎo)入的門檻，那 3nm 的功耗和發(fā)熱問題，也是阻止他們較早導(dǎo)入的關(guān)鍵原因。

發(fā)熱和功耗，3nm 的另一朵「烏云」

iPhone 15 Pro 系列的發(fā)熱問題這里就不再贅述了，我們之前就在文章中分析，iPhone 15 Pro 系列發(fā)熱的「罪魁禍?zhǔn)住咕褪窃O(shè)計(jì)和芯片兩大部分，后者自然就是采用 3nm 工藝的 A17 Pro。

坦率地說，iPhone 15 Pro 的發(fā)熱到底有多大程度是因?yàn)?A17 Pro，A17 Pro 的問題有多大程度是因?yàn)榕_積電 N3 工藝，目前來講都還沒有比較切實(shí)的論斷。

但問題一定是有的。按照蘋果給出的數(shù)據(jù)，A17 Pro 的晶體管數(shù)量為 190 億，比前代 A16 增加了近 20%，CPU 性能卻只提升了約 10%，GPU 核心數(shù)從 5 個(gè)增加到 6 個(gè)的同時(shí)，峰值性能提升了 20%。不過按照 GeekBench 數(shù)據(jù)來看，峰值性能大幅提高的另一面，是 A17 Pro TDP 峰值功率達(dá)到了驚人的 14W。

圖/蘋果

這不只是蘋果和臺積電面對的問題。

隨著晶體管尺寸不斷逼近物理極限，量子隧穿效應(yīng)帶來的問題也越發(fā)嚴(yán)重，失控的電子引發(fā)的漏電，會導(dǎo)致芯片更嚴(yán)重的發(fā)熱和功耗問題。所以從 7nm 以后，整個(gè)業(yè)界的「制程焦慮」越發(fā)明顯，對摩爾定律新出路的探索越發(fā)加快。

當(dāng)然回到 3nm 上，臺積電和三星也不是毫無準(zhǔn)備的。

N3E 才是臺積電真正的 3nm，三星押寶 GAA

相比 A17 Pro 上采用的 N3B 工藝，N3E 是臺積電計(jì)劃推出的一個(gè)完全不同的工藝節(jié)點(diǎn)，在功耗控制方面更加理想。

臺積電不僅用上了「創(chuàng)新的阻擋工藝」，更重要的是 FINFLEX 技術(shù)的導(dǎo)入，讓芯片設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)模組內(nèi)混搭不同的標(biāo)準(zhǔn)單元，實(shí)現(xiàn)同時(shí)優(yōu)化性能、功耗和面積。包括 N3P、N3X、N3AE、N3S 等工藝節(jié)點(diǎn)，實(shí)際都是 N3E 的后續(xù)變體。

而且從過去半年的消息來看，普遍指出 N3E 的良率要好于 N3B，一份文件顯示，N3E 256Mb SRAM 平均良率達(dá)到 80%，Mobile 與 HPC 芯片的良率也達(dá) 80%。此前，也一直存在臺積電考慮放棄 N3B 節(jié)點(diǎn)，推遲到 N3E 節(jié)點(diǎn)正式進(jìn)入 3nm 的傳聞。

圖/臺積電

9 月 7 日，聯(lián)發(fā)科與臺積電共同宣布，聯(lián)發(fā)科首款采用臺積電 3 納米制程生產(chǎn)的天璣旗艦芯片已經(jīng)成功流片，該款天璣旗艦芯片將于 2024 年下半年上市?；敬_定，這款天璣旗艦芯片（天璣 9400）采用了臺積電 N3E 工藝，而官方透露：

臺積電 N3E 工藝的邏輯密度相比 N5 工藝增加了約 60%，在相同功耗下速度提升 18%，或者在相同速度下功耗降低 32%。

相比之下，去年年末的 IEDM（IEEE 國際電子器件大會）上，臺積電披露 N3B 工藝實(shí)際只將 SRAM 密度提高了約 5%（相比 N5 工藝），與其最初聲稱的 20% 也是相去甚遠(yuǎn)。

另外，9 月底業(yè)內(nèi)又傳出英偉達(dá)也下單了臺積電 3nm 制程，以生產(chǎn) Blackwell 構(gòu)架 B100 數(shù)據(jù)中心 GPU，預(yù)計(jì)將采用更側(cè)重性能增強(qiáng)的 N3P 或 N3X 工藝。

可以這么說，N3E 及其變種對于大多數(shù)芯片廠商來說，才是真正的 3nm。

而在三星這邊，去年 6 月就率先宣布了在 3nm 成功應(yīng)用 GAAFET 技術(shù)。GAAFET 的正式名稱是全環(huán)繞柵極晶體管（Gate-All-Around FET），架構(gòu)上最明顯的變化在單位面積內(nèi)的利用效率。

眾所周知，計(jì)算性能最底層其實(shí)就是晶體管的「一開一關(guān)」，代表了二進(jìn)制中的「0」和「1」，更底層是對晶體管內(nèi)通道（又稱溝道）的控制能力。FinFET 第一次將通道從橫向轉(zhuǎn)為豎向，而三星采用了寬通道（納米片）的 GAAFET 技術(shù)，在單位面積內(nèi)支持更多通道的控制，由此得以實(shí)現(xiàn)了：

與 5nm 工藝相比，第一代 3nm 工藝可以使功耗降低 45%，性能提升 23%，芯片面積減少 16%；而第二代 3nm 工藝則使功耗降低 50%，性能提升 30%，芯片面積減少 35%。（注：三星第二代 3nm 也要等到明年。）

相比臺積電還在用的 FinFET 技術(shù)，GAA 擁有更好的靜電控制能力。法國信息技術(shù)電子實(shí)驗(yàn)室高級集成工程師 Sylvain Barraud 也指出：「與 FinFET 相比，GAA 堆疊的納米線還具有更高的有效溝道寬度，能夠提供更高的性能。」

事實(shí)上，臺積電和英特爾也早早宣布將在 2nm 節(jié)點(diǎn)正式導(dǎo)入 GAA 技術(shù)，之所以沒有在 3nm 節(jié)點(diǎn)，主要顧慮還是技術(shù)成熟度不高帶來的良率問題，三星 GAA 3nm 此前就多次傳出嚴(yán)重的良率問題，甚至是在宣布量產(chǎn)后找上美國 Silicon Frontline Technology 公司，合作提高 3nm GAA 工藝的良率。

所以對三星來說，關(guān)鍵還是在于保持 3nm GAA 能效優(yōu)勢的同時(shí)，如何盡可能地提高良率。

寫在最后

時(shí)至今日，所有人都明白，在物理尺寸上極其微小的芯片，在現(xiàn)實(shí)世界是何等的重要，而芯片上的每一寸進(jìn)步，實(shí)質(zhì)上也會推動全世界算力的大幅提升，這也是過去幾十年人類科技進(jìn)步的主要動力之一。

與 1nm 之后的未來相比，3nm 目前遇到的問題既不困難也不意外，晶圓廠早就有所預(yù)想和準(zhǔn)備。但即便是芯片制程無限逼近物理極限的幾年后，從來也沒有什么無解的問題。

大規(guī)模集成電路興起的時(shí)候，糟糕良率一度讓很多公司失去了信心，但還是仙童半導(dǎo)體、德州儀器等公司將芯片制造車間換成了無塵的超凈間，進(jìn)入的人都要穿上極其嚴(yán)密的防護(hù)服，確?；覊m、汗液和毛發(fā)不會損壞脆弱的晶圓，實(shí)現(xiàn)了足夠高的良率。

MOS 管（場效應(yīng)晶體管）接近性能極限的時(shí)候，很多人也認(rèn)為晶體管不能再變小，芯片性能提升到了盡頭。但最終，F(xiàn)inFET 架構(gòu)繼續(xù)推動了芯片技術(shù)的前進(jìn)。

2019 年，在臺積電內(nèi)部舉辦的運(yùn)動會上，臺積電創(chuàng)始人張忠謀被媒體問到了摩爾定律是否走到盡頭時(shí)，他認(rèn)為這個(gè)問題的答案，沒有人知道，因?yàn)楹竺嬷辽龠€有 5nm、3nm 和 2nm 的技術(shù)。但他相信，摩爾定律的未來會是：

山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。