苹果豪赌3nm背后

对于苹果来说，3nm 无疑是他们的头等大事。

据彭博社早前报道，苹果一直在新 Mac mini 上测试其新 M3 芯片的基础版本。现在，彭博社又带来了有关 M3 Mac 的另一篇报道，但这一次与更强大的 M3 Max 芯片有关。据 Mark Gurman 介绍，该公司一直在为新款高端 MacBook Pro 试验一款具有多达 40 个 GPU 核心的芯片。

虽然关于M3芯片的细节并没有披露，但彭博社的知情人士透露，一款代号为 J514 的新型笔记本电脑采用 Apple Silicon 芯片，该芯片配备 16 核 CPU 和 40 核 GPU。更具体地说，这款名为M3 Max 的芯片将拥有 12 个高性能核心，可处理高要求的任务，还有 4 个高效核心，可在用户运行不太密集的应用程序时节省电池电量。与 M2 Max 相比，多了四个 CPU 核心和两个 GPU 核心。

Gurman 在之前的报告中提到，新的 M3 基础芯片将配备 8 核 CPU 和 10 核 GPU，与 M2 类似。不过，M3 Pro 预计将拥有 12 核 CPU 和 18 核 GPU，比 M2 Pro 多了两个 CPU 和 GPU 核心。

据彭博社报道，今年晚些时候发布的顶级 iPhone 15 Pro 机型还将搭载全新 A17 处理器，该处理器与 M3 芯片有很多共同点，均采用全新 3nm 工艺打造。

综合过去的相关报道，苹果在 3nm 上下了很多功夫，但为何他们要这样做呢？这背后又将发生怎样的故事？

为什么非要3nm？

对于一直以来以引进先进工艺的苹果而言，公司上一次实现制造工艺的重大飞跃是在 2020 年，当时他们采用了台积电的 5 纳米工艺，生产 A14 仿生和M1芯片。除此之外，Apple Watch 中的 S6、S7 和 S8，继续使用 7nm 制造工艺，因为它们基于 A13 Bionic——苹果为 iPhone 设计的最后一款 7nm芯片。

苹果去年在 iPhone 14 Pro 和 iPhone 14 Pro Max中推出了 A16 Bionic 芯片。苹果声称它是 4nm 芯片，因为它使用台积电的“N4”工艺，但实际上它是用台积电 5nm N5 和 N5P 工艺的增强版制成的。之所以会困在这里，与工艺的进一步前进更加困难有关。

使用 3nm 工艺制造芯片是一项复杂的任务，需要极高的精度，采用最先进的制造技术，结合创新的光刻、蚀刻和沉积方法，在微观尺度上创建复杂的电路。制造过程涉及多个复杂的步骤，即使是最小的偏差也可能导致显著的良率损失。为此，包括台积电、三星和英特尔在内的厂商都在推进这个工艺上碰到问题。而且，该工艺价格昂贵，据 semianalysis 分析，台积电的 3nm 有约 25 个 EUV 层，几乎是 N5 的两倍，这超出了大多数客户愿意支付的价格。

现在，台积电终于有了跨代的新工艺，苹果也终于可以拥抱其来实现跨越性的增长。

从厂商分享的数据来看，3nm 应该为苹果芯片提供自 2020 年以来最大的性能和效率飞跃。3nm 增加的晶体管数量使芯片能够以更快的速度同时执行更多任务，同时使用更少的功耗。

据台积电董事长 Mark Liu 介绍，3nm 制程的逻辑密度将增加约70%，于相同功耗下，速度提升 10~15%，或于相同速度下，功耗降低 25~30%。此外，3nm 芯片还可以支持更先进的专用芯片硬件。例如，3nm 芯片可能支持更先进的人工智能和机器学习任务，以及更先进的图形功能。这种提升在过去几年是很少见到的，相信这也是苹果看上 3nm 的原因。

台积电的全面护航

正如前面所言，苹果将在多款芯片上使用 3nm，为此有新闻传出，苹果为了确保拥有足够的 3nm 制程处理器，提供予 iPhone、Mac 和 iPad 使用，已经向台积电预留了今年 90% 的产能，去生产 A17 Bionic 和 M3 系列处理器。

作为台积电的长期合作伙伴，有指 Apple 早在 2020 年开始就向对方订购 3nm 芯片，并且会长期采购，预计 Apple 会将 3nm 芯片用于发表全新的产品类别，例如自动驾驶汽车。

而台积电为了抱住苹果这个大腿，也与他们在合作上付出了很多。

据 EE Times 在今年五月报道，Arete Research 分析师 Brett Simpson 告诉 EE Times，他估计台积电 A17 和 M3 处理器的良率约为 55%，这适合台积电所处的开发阶段。他表示：“台积电预计每个季度的良率将提高约 5 个百分点以上。”

不过，台积电首席执行官 CC Wei 随后表示，公司已实现“大批量生产，良率良好”，但客户的需求超出了其供应能力。下半年，台积电将加大为苹果生产 A17 和 M3 芯片的产量，同时也为英特尔、AMD 和 Nvidia 生产芯片。

而据 The Information报道，芯片供应商台积电采取了不同寻常的举措，在推出 iPhone 15 Pro 和 A17 Bionic 芯片之前，不再向苹果收取有缺陷的 3nm 芯片费用。The Information 表示，台积电仅向苹果收取“known good dies”的费用，对有缺陷的芯片不收取任何费用。这是非常不传统的，因为台积电客户通常必须支付晶圆及其包含的所有芯片的费用，包括任何有缺陷的芯片。

由于苹果从台积电获得的订单如此之大，它显然有理由吸收有缺陷芯片的成本。苹果愿意成为供应商新制造工艺的第一个客户，这有助于它支付新节点的研发费用以及制造它们的设施的费用。

对于新的制造工艺来说，这个决定带来的节省成本可能是相当可观的。The Information 称，大约 70% 的早期 3 nm 芯片已经可用，尽管这个数字可能会根据正在制造的芯片而变化，并且随着工艺的改进，通常会随着时间的推移而上升。

当然，苹果订单的规模也使得台积电能够更快地学会如何在量产过程中改进和扩大节点。

据财报显示，全球最大的半导体代工厂台积电 2022 年服务了 532 家客户。不过，其前 10 名客户占其营收的 68%。其中，苹果是最大客户，占台积电营收的 23%。报道指出，台积电的苹果收入在 2022 年增长了 18.2% 至 175 亿美元。

其他客户面临的挑战

对于苹果和台积电来说，他们双方的决定都是一个基于双方需求做出的取舍。但是一旦台积电在苹果的支持下，让 3nm 芯片的生产和良率问题得到改善。那么其他想要 3nm 的客户，将可能不可避免地向台积电支付更高的价格，并为有缺陷的芯片付出费用。

台积电此前曾透露，其 N3 节点已被高性能计算（HPC）和智能手机 SoC 的设计者采用  ，并且在其生命周期早期，采用者数量比 N5 更高。然而台积电从未提及有多少家公司决定使用其 3 纳米级制造工艺。

不过，Synopsys IP 营销和战略高级副总裁 John Koeter 早前曾表示：“用于台积电 3nm 工艺的 Synopsys IP 已被数十家领先公司采用，以加快其开发速度、快速实现芯片成功并加快上市时间。”这也从侧面披露了台积电 3nm 的受欢迎程度。

但是，对于这些厂商而言，他们似乎没有像苹果那样跟台积电讨价还价的资本。

统计显示，台积电的十大客户包括苹果、高通、AMD、博通、NVIDIA、联发科、英特尔、Marvell、恩智浦和紫光展锐。受基于 N6/N5/N4 的芯片以及更广泛的汽车和物联网领域的影响，高通成为台积电的第二大客户。高通 2022 年在代工上花费了 150 亿美元以上，最大的份额流向了台积电和三星。这和台积电独家生产苹果芯片带来的营收占比有很大的差距。

据 DigiTimes 在去年年底的报道，用于这家台湾芯片制造商 3nm 工艺的一块加工晶圆可能会让客户损失约 20000 美元。相比之下，台积电的 5 纳米工艺晶圆成本约为 16000 美元。

台积电 CCWei 在四月也表示：“由于我们的客户（猜测是苹果）对 N3 的需求超出了我们的供应能力，我们预计 N3 将在 HPC 和智能手机应用程序的支持下于 2023 年得到充分利用。”

换而言之，对于今年想使用台积电3nm的客户来说，不但需要在产能上面临挑战，价格也是他们需要跨越的又一座大山。

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：编辑部