3nm芯片，台积电的一道小坎

2023年9月13日，苹果的秋季新品发布会上，与iPhone 15 Pro系列一同登场的，还有全球首款3nm芯片A17 Pro，其依旧出自苹果的老朋友台积电之手。

在这款芯片发布前，大家都对它寄予了厚望，与4nm这样的小节点相比，3nm是继5nm后又一次重要的工艺迭代，回顾过往历史，每次工艺的大升级，都会带来芯片性能的又一次大幅度提升，而3nm本该也是如此。

图片来自：Apple

但意外偏偏发生了，这颗本应强大的A17 Pro芯片提升幅度并没有大家想象中那么大，反而iPhone 15 Pro的发热问题，让苹果变成了“火龙果”。

那么，发热发烫这个锅，是不是要让台积电来背呢？

神仙难救的散热

很快就有人为台积电撑腰了，天风国际分析师郭明錤今日发文，针对目前苹果 iPhone 15 Pro 手机过热问题进行了解读，并表示“与台积电 3nm 制程无关”。

郭明錤称，iPhone 15 Pro 系列的过热问题，与台积电的 3nm 制程无关，主要很可能是为了让重量更轻，因此对散热系统设计作出了妥协，像是散热面积较小、采用钛合金影响散热效果等。

当然，这话说得确实挑不出毛病，根据目前的拆解来看，iPhone 15 Pro依旧采用的双层主板，背部是ROM芯片，面前的是基带芯片，都是发热量较大的几颗芯片，把它们放到一起，无异于让A17 Pro待在篝火旁边，负载一大，火势就会变大，不仅处理器降频运行，用户也会很快就会感受到手机发热。

外加苹果在这次发布会上吹了很久的钛合金边框，实际上还变相加剧了iPhone散热差的毛病，钛的导热系数λ=15.24W/（m.K），约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比纯钛的导热系数还有再下降约50%，这也就是说iPhone 15 Pro虽然轻了，但是散热反而不如iPhone 15的铝合金边框和iPhone 14 Pro的不锈钢边框。

但是郭明錤这番话也并不全面，根据极客湾的测试，iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max的续航时间相较于上一代，反而出现了倒退，下降了几十分钟左右，在电池容量微增的基础上，续航时间反而缩短，除了处理器本身性能调度原因外，问题恐怕还是出在了A17 Pro的本身的能效表现上了。

根据Techinsights的芯片拆解，与A16相比，A17 Pro 每颗性能核心和效率核心的面积减少了 20%，每个 GPU 核心的面积增加了 5%，整体 GPU 核心增加了 20%，且由于工艺制程的进步，A17 Pro芯片的整体面积略有缩小，但晶体管数量来到了新高，为190亿，对比上代的160亿晶体管，增加了近20%，能够完成如此大的升级，台积电3nm工艺功不可没。

图片来自：Techinsights

但根据苹果官方的公告，A17 Pro的CPU整体性能只是比上一代提升了约10%，提升幅度达到20%的GPU又有很大程度上是因为5核变6核，只有NPU提升幅度最大，算力从17TOPS升级到35TOPS，不难猜测它的实际规模变大了不少，外加新的USB 3控制器的加入，这些就是A17 Pro的主要升级点了，并未完成很多人预期里的大幅度跨越。

当A17 Pro褪去了神话光环之际，台积电的3nm也备受质疑。

FinFET气数已尽

为什么在4nm还顺风顺水的台积电，唯独到了3nm时却翻了车呢？

在5nm时，无论是台积电还是三星，都采用了FinFET（鳍式场效晶体管）的技术来控制流过晶体管的电流，这种技术能从“三面”来控制电子的通过（如下图），若电子没有被好好控制而乱跑，就会造成漏电，继而使手机的温度升高。

为选择更好地控制电流，两家半导体巨头都发展出从“四面”来控制电子通过的技术，称作GAA（Gate-All-Around），进一步防止漏电发生。但在3nm这一节点，台积电选择继续使用FinFET工艺，直到2纳米才转换成GAA，三星则抢先在3纳米时导入GAA，虽然目前还未大规模量产，但有望提供比FinFET更好的功耗与密度。

2011年，英特尔首度在Ivy Bridge 微架构处理器上应用22nm FinFET技术，2014年，台积电和三星首度在16/14nm工艺里导入FinFET工艺，在随后的几年时间当中，FinFET成为了众多晶圆厂热捧的技术，传统平面工艺无法满足先进制程的需求，摩尔定律再一次得到延续。

但没过几年，到了7nm制程以下，静态漏电的问题越来越大，原本制程演进的功耗和性能红利逐渐消失，FinFET无法满足3nm及更先进制程的需求已成为了大家的共识，何时导入GAA就成为很多人关心的重点，英特尔和台积电选择在3nm上继续沿用FinFET，而处于竞争劣势的三星下定决心，在3nm就引入GAA技术，力图争取到更多客户。

在2020年8月的台积电技术研讨会上，台积电表示，它已对其 FinFET 技术进行了重大更新，N3即3nm会使用 FinFET 的扩展和改进版本，性能增益高达 50%，功耗降低高达 30%，密度增益比 N5 提高 1.7 倍，不过这里需要注意的是，这部分对比仅仅是初代N3与N5的对比，在N5经过多轮迭代升级到最新的N4之后，实际提升并没有研讨会上公布的那么美妙。

回过头再来看GAA，台积电将其称为nanosheet FET，Intel称其为RibbonFET，这些技术本质都是一样的，就是把FinFET的fin转90°，然后把多个fin横向叠起来，这些fin都穿过gate——或者说被gate完全环抱，所以叫做gate all around；另外每个翻转过的fin都像是一片薄片（sheet），它们都是channel，因此也被称为nanosheet FET。

从结构上来看，GAAFET电晶体的gate与channel的接触面积变大了，且每一面均有接触，也就能够实现相比FinFET更好的开关控制。而且对于FinFET而言，fin的宽度是个定值；但对GAAFET而言，sheet本身的宽度与有效通道宽度是灵活可变的。更宽的sheet自然能够达成更高的驱动电流和性能，更窄的sheet则占用更小的面积。

台积电没在3nm用GAA的原因并不难理解，成本和技术。成本是新工厂新设施吃掉的资本投入，而技术呢，例如硅基通道中较低的空穴迁移率（hole mobility），导致pFET性能表现不佳。IBM在之前的IEDM上表示，这一问题的解决方法在于pFET可应用压缩应力的锗化硅（SiGe）通道材料：“pFET锗化硅通道能够实现40%的迁移率提升，相较硅基通道有10%的性能优势，而且有更低的阈值电压（Vt），负偏压温度不稳定性（NBTI）表现也有提升。”

当然GAA的好处并不明显可能也是台积电的顾虑之一，三星此前谈到了3nm GAA制程，其比4nm FinFET在频率和功耗方面的优势，如下图所示，但图中并没有提供绝对值和相对值，其只是笼统地说，3nm GAA与4nm FinFET电晶体相比，在相同的有效通道宽度（Weff，fin/sheet的宽度× fin/sheet的个数）下，3nm GAA能够达成更高的频率；与此同时达成更低的功耗。

种种原因让台积电打定主意，在2nm才会使用GAA，3nm成为了最后一代FinFET，这也为A17 Pro的翻车埋下了伏笔。

更要命的当然还是良率问题，根据 Hi Investment & Securities 的数据，三星的 3 nm良率估计超过 60%，相比之下，台积电的 3 nm良率约为 55%，新技术的良率几乎与旧技术良率持平，让人不由想起了几个月前曝光的苹果与台积电之间的“甜心交易”：苹果向台积电下巨额 3nm 芯片订单，但是要求不合格芯片成本均由台积电自己承担，苹果只需要为良品芯片付费，有媒体表示，这样下来，苹果每年可节省数十亿美元。

如果良率足够高，苹果也没必要专程与台积电达成这项交易了，而台积电自2022年量产3nm至今，良率仍然没有到达苹果的底线，如今在能耗表现上也不理想，接下来能否说服更多客户接受这样一个价格再次上涨的工艺，或许才是台积电在2024年需要解决的大问题。

3nm谁领风骚？

目前，台积电为苹果代工的依旧是N3B即第一代3nm工艺，该工艺的好处是晶体管密度大幅增加，即A17 Pro实现的190亿晶体管，而明年登场的N3E，在晶体管密度上表现会稍逊一筹，但功耗控制方面更加理想，包括苹果在内的多家厂商都有意采用这项工艺，如果届时台积电能大幅提升良率，相信上门的Fabless厂商依旧会络绎不绝。

但三星早已拿着GAA的3nm虎视眈眈，一旦台积电犯下错误，原本属于它的订单就有可能流向老对手，而这样的局面早在16nm和7nm时就上演过，如今3nm悬而未决，未尝没有再发生一次的可能性。

3nm，是台积电亟需跨过的一道小坎。

参考文献

1. TSMC’s 3-nm Process Under Scrutiny Due to iPhone 15 Pro Overheating Issues——businesskorea

2. iPhone15 Pro的A17 Pro芯片照片，与A15/A16配置对比——iphone-mania

3. 跟三星不同调！台积电3纳米架构沿用FinFET，首席科学家黄汉森揭背后决策——bnext

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸琦