台积电VS三星，巨头3nm芯片竞赛临门一脚

本文来自微信公众号：经济观察报（ID：eeo-com-cn），作者：沈怡然，头图来自：视觉中国

一场关于3nm先进工艺芯片的竞赛开启，台积电仍然抢先一步。

8月30日，台积电总裁魏哲家在2022年台积电技术论坛上表示，3nm即将量产，时间就在2022年下半年。

受到疫情影响，台积电技术论坛已经有两年未曾举办，时隔两年重新举办的论坛带来了台积电3nm芯片的最新进展。

“如果有手机的客户当下采用3nm芯片，明年产品就能问世。”台积电副总监陈芳在今年8月18日2022南京世界半导体大会的间歇上对经济观察报表示。

9月1日，三星电子对经济观察报表示，期待在2024年实现大规模量产，目前该计划正照常推进。

3nm是目前芯片的一种工艺制程，指芯片中一根晶体管源极和漏极（通俗指的电路正负极）之间的距离，电子像水流一样从源流到漏，中间仅有纳米级的间距，而一块先进工艺芯片内，通常有数亿个的晶体管且排布复杂，越先进的工艺生产，芯片越微缩、晶体管越密集，芯片的性能也越强。

由于在22nm节点上引用FinFET技术，将晶体管以3D形式排步，芯片的工艺无法只用纳米来衡量，但业内仍保留了这个称呼。

量产终点逼近，围绕3nm节点，全球巨头们的竞赛正在激烈进行。

台积电垄断了全球75%以上的晶圆代工先进工艺市场，在先进制程上，客户无法找到台积电的替代品，这也赋予了台积电更强的议价能力，如今在3nm上，三星电子是最有希望做出台积电竞品的公司，这让客户有了第二个选择。三星电子背后的韩国政府，正在对半导体制造业给予更多资金和技术的支持。

在上述两家巨头外，英特尔也计划重返3nm战场，英特尔在今年4月表示，Intel3（约合7nm）将于2023年下半年量产。该公司的新任首席执行官基辛格上任后，启动了IDM2.0计划，试图重返半导体代工业务。

台积电在财报会中称3nm是一个庞大而持久的节点。

在摩尔定律的主导下，芯片制程延着14nm-7nm-5nm-3nm的路径不断迭代，在相当长的时间中，这似乎是一个颠扑不破的产业规律。

但3nm这一节点呈现了不同的特征，这个节点的研发和生产的成本极高，这也增加了供应商和客户的风险，所有的玩家极力地在先进技术与成本之间寻求平衡。而其所处的半导体行业则处于周期拐点之上，消费电子下行，智能手机对先进芯片的牵引力出现不足。

在这场巨头竞争的背后，真正的客户市场又在何处？

一、保守VS激进：巨头的技术分歧

巨头们顽强延续摩尔定律，在3nm节点上采用不同的路径：三星电子采用GAA（Gate All Around）晶体管架构，台积电继续沿用鳍式场效电晶体（FinFET）架构。

GAA和FinFET被认作是延续摩尔定律的两种技术方向，过去的先进工艺普遍采用FinFET。三星电子对记者表示，这一次三星首次采用GAA技术，选择了一种使用通道更宽的纳米片（Nanosheet）的方式，相比通道较窄的纳米线（Nanowire）方式来说，可实现更高性能和更高能效。

三星电子对经济观察报表示，三星采用了GAA工艺的第一代3nm，比5nm可降低高达45%功耗，提升23%性能，减少16%的面积，至第二代则降低高达50%功耗，提升30%性能，减少35%的面积。

三星电子方面对经济观察报表示，在3nm节点，GAA工艺可以克服Fin－FET工艺的限制，“它将成为游戏规则的改变者”。

相比之下，台积电选择继续沿用FinFET工艺，台积电总裁魏哲家的理由是，“选择沿用FinFET，是经过考虑良久，制程技术推出不是（为了）好看，是要实用，要协助客户让产品持续推进。”

此时，台积电明确了第一代3nm相较于5nm，其晶圆密度高出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年台积电技术论坛暗指竞争对手，“对手的3nm比台积电的4nm还有些差距”。

一位国产芯片代工业人士对记者表示，在晶圆生产方面，三星电子的策略偏激进，台积电偏保守，这体现在器件性能工艺方向的选择上。GAA堆叠纳米片架构更新，技术目前的稳定性、是否适合于3nm节点，还没有一个定论。

台积电虽保守采用FinFet工艺，但也运用FinFlex技术做出一定创新。台积电（中国）有限公司副总监陈芳表示，按照FinFet工艺路线走下去，从N16发展到N5，逻辑单元FIN的数目从 3FIN减少到了 2FIN，5NM就是2FIN，但是在3nm节点，继续把逻辑单元的FIN数目继续减少到1FIN，就会碰到速度严重下降的问题。

为了平衡FIN的数目以及速度的需求，台积电开发了一套全新的标准逻辑单元：即在一个逻辑区域内，把2FIN的逻辑单元和1FIN的逻辑单元进行交错组合，从而在密度得以提升的形态状态下，同时达到功耗和速度的一种平衡。

二、投资与良率

2016年9月，台积电共同CEO刘德音首次透露了3nm制程的进度，他表示，目前组织了300-400人的团队研发中。2018年，台积电披露公司董事会已批准了一项约45亿美元的资本预算，未来将会使用该预算来修建新的晶圆厂。

2018年，三星电子在位于美国的2018年三星半导体代工论坛上，公布其全面的芯片制程技术路线图，其中包括5nm、4nm、3nm三个先进制程。

与此前的制程相比，3nm由于逼近物理极限，对于技术和成本提出了更高的要求。

过去三年，台积电的资本支出增加了超过一倍，从2019年低于150亿美元，增加至2021年的300亿美元，2022年的资本支出计划达到了400亿~440亿美金。

三星半导体的资本支出也保持了强劲的增长，2018年的支出达到216亿美元，2019年达到193亿美元，据《韩国先驱报》报道，三星电子在半导体领域的资本支出在 2020年和2021年的资本支出分别达到了277亿美元和337亿美元。

巨头的资本支出远远超过了此前5nm、7nm量产前的幅度。

联华电子业务发展副总裁WalterNg说：“在前沿节点，晶圆成本是天文数字，因此很少有客户和少数应用能够负担得起利用昂贵的工艺技术。该公司参与代工产业多年，在进入10nm节点前放弃了先进工艺，现以成熟工艺为主。”

摩尔定律发挥的经济效益正在衰减。根据IBS的预测，对制造厂而言，从7nm到3nm节点，成本上涨了67%，平均的晶圆价格增长了55%。

根据IBS数据，仅仅是芯片设计的环节，5nm的成本约5.422亿美元，3nm会从5亿美元到15亿美元不等。

巨大的投入需要得到最终需要在市场中得到回报，而从研发走向市场，巨头们即将迈出最关键的一步——量产。

台积电将3nm的生产设施置于中国台湾的新竹地区，整个7nm及以下的产能都则分布于中国台湾和美国地区。根据台积电2022年技术论坛，2018-2022年，台积电先进制程产能的年复合成长率为70%。三星电子将3nm生产设施放在韩国首尔南部的华城。

对于先进工艺，良率至关重要，良率的高低也将与其收益、利润直接挂钩。

海外数码科技媒体 Wccftech在2022年4月报道，三星电子的3nm工艺良率仅在10%~20%之间，远低于预期。目前台积电没公布良率情况。

芯片行业分析师姚嘉洋对经济观察报表示，3nm技术复杂度更高，初期的良率会相对5nm同期更低一些。

在姚嘉洋看来，良率的情况也会成为首批3nm客户的担忧，一些手机客户会观望至良率提升，产品成熟时再进行采购。

三、第一批客户

手机市场是芯片工艺研发不断前进的重要的牵引力，手机厂商往往是先进制程的第一批采购商。

按照7nm、6nm芯片的路径，从刚开始的智能手机、CPU/GPU、FPGA，扩展到IOT、车用、消费电子、RF射频上。但是，成本越高，意味着高风险，手机厂商也会更多考量先进技术与成本之间的平衡。

姚嘉洋预估，第一批手机芯片客户要到2023年下半年才会采用3nm，在2024年搭载至手机上市。

姚嘉洋表示，预计苹果阵营采用3nm芯片比安卓阵营要早，安卓阵营的高通的旗舰级芯片通常是在年度第四季发布，11、12月左右，相应的晶圆量产在当年三季度完成，而高通的第一波客户通常都是小米为主。3nm的安卓手机很可能等到2024年第一季，最快也是要到2023年底才会上市，最有可能首发的是小米手机。“对于高通来和联发科来说，并非一个很好的时机点。苹果相对好些，因为拥有芯片到终端的全产业布局，成本控制上相对容易，”姚嘉洋说。

Strategy Analytics芯片分析师Sravan Kundojjala认为苹果将在2023年率先采用3nm，Android厂商将在2024年跃升到3nm。

8月22日，来自中国台湾的媒体Digitimes报道称，首个采用台积电3nm的客户仍然是苹果，但不同的是，或许用于苹果的M2Pro芯片，最终搭载到MacBook Air和MacBook Pro。根据公开信息，这一代电脑产品将于2022年第四季度进入量产阶段。

四、新的市场博弈

与此前制程芯片产出背景不同的是，包括手机在内的消费电子行业正在经历寒冬。IDC、Strategy Analytic等咨询机构均做出了2022年全年智能手机出货量将会下降的判断，下降幅度从6%-7%。

在这一情况下，下游客户会有多大意愿为先进制程买单成了问题。

一家位于下游的国内大型封测企业人士对经济观察报表示，3nm作为一次技术升级，上下游是有联动的，但能带来多大好处，更取决于下游市场的销量。如果芯片需求没有增加，仅仅是技术节点的切换，并不意味着带来更多订单。目前看到消费电子的需求还是比较低迷，相比之下，还是下游反弹的利好更大。

姚嘉洋认为，3nm的高壁垒，使有能力买单的客户会比5nm同期更少。Sra－van认为，3nm的退出成本非常高，限制了可以投资和采用3nm公司的数量。

在这一情况下，巨头开始寻找新的客户群体。

三星电子方面对经济观察报表示，正与多个高性能计算（HPC）和移动设备客户讨论订单。

对于3nm的市场需求，三星保持了积极的态度，三星电子方面对经济观察报表示，晶圆代工市场将保持对先进节点的强劲需求，三星电子有能力通过调整纳米片的沟道宽度，以改善功耗和性能，满足客户的各种需求，这尤其体现在第二代3纳米GAA工艺对芯片尺寸、性能和能效的提升上。

台积电领先一步，已经有了第一批客户，且正在积极采用，它们来自移动和HPC，预计3nm的NTO（New Tape Out，指新产品流片）是同一时期5nm的两倍。

姚嘉洋认为，与前几代不同的是，3nm客户将不再以手机为主。

“更为特殊的一点是，3nm将与计算公司高度相关”，Sravan表示。

台积电在3nm的产品策略发生了变化：在推出3nm的同时，还规划了4个加强版分别是N3E（增强）、N3P（性能增强）、N3S（密度增强）和N3X（超高性能）。目前N3E已经有客户参与。

回顾台积电技术路线，进入7nm以来，公司将只针对7nm、5nm、4nm推出了1个加强版。同时推出5个产品组合，这在台积电的历史是很少见的。

不止于此，台积电首次采用上述FINFLEX创新技术，一方面是为了提升性能，另一方面，陈芳称，简单来说，这种技术为芯片设计师的设计提供了更多的灵活性。通常在一个逻辑区域内，不同组合可以形成不同的性能侧重，有的为满足高运算要求，有的为满足最低漏电和最低功耗要求。

姚嘉洋表示，可以看出台积电的策略是，满足不同行业客户的需求，想要容纳更多的客户群。这和台积电自身客户结构正在发生转换有关。台积电的业务板块分为手机、HPC（高性能计算）、Iot、汽车和DCE。2022年Q1台积电的手机收入以38%份额退居第二，首次低于HPC业务。

HPC包含数据中心、AI、FPGA和网络四大应用，主要厂商有英特尔、英伟达、AMD，这些芯片除了用于手机，还能用于服务器处理器和台式机处理器。姚嘉洋表示，和手机相比，这些设备对芯片的要求不在于微缩化，而是能否功耗更低、能否支撑更大的算力。

这些处理器的大量叠加，构成了数据中心、智能计算中心、超算中心等大型基础设施。通俗理解为，这些芯片都是支撑政企数据上云、数字化进程的底层元器件，无论政府、学术、商业都需要用到，可以说是“新基建”的底层支撑。

在台积电看来，相比消费电子，HPC显示出了更强大的动能。这背后也是整个半导体下游市场的结构性转换。据TrendForce机构预计，2021年全球高性能计算（HPC）市场规模约368亿美元，增长7.1%，预计2022年将会增长7.3%达到397亿美元。美国是HPC最大的市场，其次是中国和欧洲市场。

五、3nm与中国

Sravan Kundojjala表示，3nm技术的进展，将可能对政治因素和国际关系产生潜在影响。三星电子的3nm产品，将进一步加强韩国和台湾在领先领域的主导地位。鉴于3nm技术优势对国家的重要性，各国与中国台湾的关系将被视为更具战略性。美国和欧洲可能会争取台积电和三星电子在其海岸建立工厂。

中国大陆最大的制造厂中芯国际，具备人才、资金和市场优势，大量订单在手，然而，它面临以美国为主的半导体技术禁运，包括EUV光刻机等关键生产设备，因为芯片从生产端就是全球化的，台积电、三星电子的生产设备、耗材也来自全球多个国家，所以，地缘政治因素，对中芯国际先进工艺研发产生较大限制。从公开消息看，中芯国际的先进工艺的量产停留在14nm。

Sravan表示，缺乏14nm及以下工艺的设备，限制中国半导体行业的发展。然而，中国可以继续关注成熟节点（28nm及以上），以尝试占据领先位置。因为半导体行业在成熟节点的产能方面正在爆发。根据SEMI World Fab Watch报告数据，10nm以下先进工艺仅占全球半导体产能5.9%份额，绝大部分芯片仍在运用各种成熟工艺。

Sravan称，考虑到中国对高通等公司的重要性，中国不太可能在成熟节点上面临更大的贸易阻力。

本文来自微信公众号：经济观察报（ID：eeo-com-cn），作者：沈怡然