先跑并不意味著先贏 良品率才是贏得3nm之爭的關鍵

臺積電正在進一步擴大其在中國臺灣的生產(chǎn)，將在臺南地區(qū)再新建四座3nm晶圓廠，每座都將花費100億美元建造，這幾百億美元的投資是屬于臺積電此前一項1200億美元投資計劃的一部分。

6月初，臺積電剛剛宣布將投資336億美元在臺南建設四座新的2nm晶圓廠，廠房面積將近95萬平方米，后續(xù)的1nm廠也可能落腳此處。按照臺積電的計劃，這八座工廠都只是臺積電建造計劃的一部分，它至少有二十座工廠正在建設中或即將完工，總建筑面積超過了200萬平方米。

臺灣并不是臺積電唯一在建工廠的地區(qū)，一個價值120億美元的亞利桑那工廠項目預計將于2023年3月完工。據(jù)報道，臺積電還與新加坡經(jīng)濟發(fā)展局就新工廠進行了談判。

臺積電已經(jīng)公布了后續(xù)工藝發(fā)展的路線圖，N3工藝將于2022年內(nèi)量產(chǎn)，后續(xù)還有其他N3衍生制造工藝。新建四座3nm晶圓廠可能也是臺積電為不同應用準備多個版本的N3以及FinFlex技術的原因，以便為芯片設計人員的設計提供一些額外的靈活性。

據(jù)傳，第一批采用臺積電3nm技術的客戶將是蘋果和英特爾，但目前尚不清楚這些公司將使用該新技術生產(chǎn)何種產(chǎn)品。

臺積電推出多種3nm工藝

隨著制造工藝變得越來越復雜，它們的尋路、研究和開發(fā)時間也變得越來越長，因此我們再也看不到臺積電和其他代工廠每兩年就會準時出現(xiàn)一個全新的節(jié)點。在N3中，臺積電的新節(jié)點引入節(jié)奏將擴大到2.5年左右，隨后需要提供N3的增強版本以滿足其客戶的需求。

臺積電需要多個版本的N3的另一個重要原因是N2將依賴于使用納米片實現(xiàn)全新的柵極環(huán)繞場效應晶體管（GAAFET），預計這會帶來更高的成本、新的設計方法、新IP和許多其他變化，所以許多普通客戶大概率也將在未來幾年堅持使用各種N3技術。

在2022年臺積電技術研討會上，談到了將在未來幾年推出的幾種3衍生制造工藝 —— N3E、N3P和N3X。這些N3變體旨在為超高性能應用提供改進的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強的電壓。

· 臺積電的第一個3nm級節(jié)點稱為N3，該節(jié)點有望在今年下半年開始大批量制造 （HVM），實際芯片將于2023年初交付給客戶。N3主要針對早期采用者（如蘋果等），他們可以用于領先的設計，從前沿節(jié)點提供的性能、功率和面積（PPA）中受益。正因為N3是為特定類型應用量身定制的，因此工藝窗口相對較窄。

· N3的升級版N3E和N5相比，則有同速率下有34%的功耗升級，或是同功耗下有18%的效能提升，并將邏輯晶體管密度提高1.6倍?？偟膩碚f，N3E看起來是比N3更通用的節(jié)點，N3E的風險生產(chǎn)將2022年第二季度或第三季度開始，HVM將在2023年中期開始。因此，預計商業(yè)N3E芯片將在2023年底或2024年初上市。

· N3的改進并不止于N3E。臺積電將在2024年左右的某個時間推出N3P，這是其制造工藝的性能增強版本；對于那些無論成本都需要超高性能的客戶將提供N3X，目前沒有有關該節(jié)點的詳細信息，只知道它將支持高驅(qū)動電流和電壓，本質(zhì)上是N4X的意識形態(tài)接班人。

所有臺積電N3制程節(jié)點都將支持FINFLEX，這是臺積電的“秘密武器”功能，極大地增強了他們的設計靈活性，并允許芯片設計人員精確優(yōu)化性能、功耗和成本。

使用FINFLEX技術讓FinFET的靈活性更接近基于納米片的GAAFET的靈活性，后者將提供可調(diào)節(jié)的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。FINFLEX技術擴展了工藝的性能、功率和密度范圍，允許芯片設計人員使用相同的設計工具集為同一芯片上的每個關鍵功能塊選擇最佳選項。

此外，臺積電通過與EDA合作伙伴密切合作，讓客戶能夠通過使用相同的工具集，在產(chǎn)品中充分利用FINFLEX技術。

有外媒在報道中表示，臺積電3nm工藝試產(chǎn)進展順利，量產(chǎn)初期的月產(chǎn)能預計將超過2.5萬片晶圓。而對于臺積電3nm制程工藝的盈利，預計至少在出貨3億顆芯片之后才能盈利。

考慮到臺積電有龐大的客戶群體，僅大客戶蘋果一家的A系列處理器，近幾年每年的需求都在2億顆之上，他們3nm工藝所代工芯片的出貨量，預計很快就會超過3億顆，實現(xiàn)盈利。

對于3nm工藝的客戶，臺積電CEO魏哲家在今年一季度的財報分析師電話會議上曾透露，他們持續(xù)看到高水平的客戶對他們的這一制程工藝有興趣，預計量產(chǎn)后第一年的投片量，將高于同期7nm和5nm制程工藝。

三星3nm工藝良率仍遠低于目標

全球前十大晶圓代工廠2021年第四季度產(chǎn)值合計達295.47億美元，連續(xù)十個季度創(chuàng)下新高。根據(jù)市場研究公司TrendForce的數(shù)據(jù)，三星在2021年第四季度的市場份額為18.3%，比上一季度的17.2%增長了1.1個百分點；臺積電的份額下滑1.0個百分點至52.1%。兩家公司市場份額差距縮小2.1個百分點至33.8%。

三星是前五大晶圓代工大廠中，唯一一家在去年Q4市占率擴大的廠商，主要是因為先進的5nm/4nm制程產(chǎn)能逐漸完成、大客戶高通旗艦產(chǎn)品開始量產(chǎn)，推升三星晶圓代工在去年第四季度營收至55.44億美元。

作為當前全球芯片代工市場的“老二”，三星一直希望能在晶圓代工領域超車“老大”臺積電。但由于雙方均持續(xù)投入，競爭格局近年來并無明顯變化，臺積電目前仍占據(jù)著全球過半份額。

為了趕超對手，三星電子不得不從制程方面下手，希望通過領先臺積電量產(chǎn)更先進的制程，來爭奪更多的客戶。

三星3nm制程研發(fā)規(guī)劃分為2個階段：第一代的3GAE（GAA-Early）與第二代3GAP（GAA-Plus）。三星計劃在今年上半年將投產(chǎn)3GAE用于自研芯片的制造，并于2023年推出3GAP技術。

不過，有分析師指出三星的3nm制程所能達到的晶體管密度，最終可能與英特爾的Intel 4（改名前為英特爾7nm制程），或者與臺積電的5nm家族當中的4nm制程相當，但是頻寬與漏電控制表現(xiàn)會更好，將帶來更優(yōu)異的能耗表現(xiàn)。

三星如果能確保以GAA技術為基礎的3nm制程良率，就有可能成為代工市場的“游戲規(guī)則改變者”。然而，三星電子在3nm工藝上遇到了障礙，由于產(chǎn)出率低，一直推遲正式量產(chǎn)的公布。

就在李在镕動身啟程歐洲的前一個月，三星對旗下晶圓代工廠發(fā)起了一輪內(nèi)部審核，調(diào)查用于提升良率的資金是否有所落實，因為目前試生產(chǎn)的3nm芯片良率已經(jīng)低到“讓高層難以置信”，有報道稱三星的晶圓代工部門3nm制程的芯片良率目前只能維持在10%-20%之間。

相比之下，臺積電4nm制程的良率已經(jīng)可以達到70%，而三星4nm工藝的良率僅為30%-35%之間，如此低效的質(zhì)量控制也讓高通在在驍龍8+ Gen1發(fā)布之前，緊急由三星轉(zhuǎn)單交給臺積電來代工生產(chǎn)。

三星希望盡快量產(chǎn)3nm制程芯片，以爭取AMD和高通的訂單。自2017年三星將晶圓代工業(yè)務獨立后，已從最早的30家客戶成長到100家以上。據(jù)悉，三星的目標是到2026年，客戶數(shù)量達到300家以上，而臺積電2022年的客戶數(shù)量預計將超過500家。

目前，三星正在“搶購”更多的EUV光刻機。據(jù)統(tǒng)計，截止到2020年，臺積電的EUV光刻機數(shù)量約40臺，三星則是18臺左右，不到臺積電的一半。預計2022年三星會購入大概18臺EUV光刻機，努力拉近與臺積電之間的數(shù)量差距。

預計未來三年累計資本支出將占其營收的70%左右，而臺積電大概會在50%。三星確認了美國泰勒和南韓本地新晶圓廠的擴產(chǎn)投資，并坦言由于先進制程量產(chǎn)爬坡延遲導致成本增加，獲利能力將略有下降。

代工廠的“3nm之戰(zhàn)”

根據(jù)TrendForce預測，2022年全球代工市場預計將增長20%，達到1287.84億美元。對晶圓制造廠來說，眼下更重要的是3nm的突破。毫無疑問，在3nm這個節(jié)點，目前能一決雌雄的只有臺積電和三星，雖然英特爾也在往先進制程方面發(fā)力，但相比臺積電和三星的進度還是有不小的差距。

不僅三星3nm制程的最大變量是良率，與三星相同，臺積電也難確保3nm預期良率，多次修改技術路線：推遲原本計劃7月開始為英特爾和蘋果量產(chǎn)的3nm芯片；英偉達支付高達90億美元預付款，計劃使用臺積電3nm生產(chǎn)今年發(fā)布的GeForce RTX40系列GPU，但良率問題，GeForce RTX40系列GPU最后采用5nm而非3nm。

同時，有報道高通已將其3nm AP處理器的代工訂單交給臺積電，但三星3nm客戶仍成謎。

這或許是三星最不愿意看到的一幕，在痛失高通的8+Gen1訂單后，3nm先進制程芯片的這場戰(zhàn)爭，他們沒有退路。

除了大幅提高的資金投入外，三星幾乎是以一種“畢其功于一役”的姿態(tài)去發(fā)展3nm制程芯片，相比于過于行業(yè)內(nèi)早已輕車熟路的FinFET工藝，改用GAA工藝，而GAA工藝在業(yè)內(nèi)還未有成功開發(fā)的先例。

雖然GAA取代FinFET已成業(yè)內(nèi)共識，但現(xiàn)階段影響其量產(chǎn)普及的因素還有不少，復雜的制造流程、良品率、成本難以控制等等仍是阻礙。

再有就是和臺積電在產(chǎn)能上的差距。由于臺積電具備動態(tài)調(diào)配生產(chǎn)線能力，其產(chǎn)能利用率甚至可以提高到110%-120%，這是三星完全無法企及的，更何況三星的邏輯芯片產(chǎn)能中約有一半自用，而臺積電作為純晶圓代工廠，集團內(nèi)的其他業(yè)務根本不需要占據(jù)芯片產(chǎn)能。

對于臺積電而言，3nm制程芯片同樣是關鍵一役，因為臺積電仍然堅持使用更加成熟且傳統(tǒng)的FinFET工藝，如何在3nm制程的節(jié)點下，打破物理意義的工藝上限，這是擺在臺積電面前的一道難題。

三星的這次技術整改頗有幾分“推倒重建”的意味。實際上，當下這場從FinFET到GAA的工藝變革就是三星彎道超車的最佳機會。在第一款商用3nm芯片落地之前，沒人能給出答案，但這也是三星最大的底氣。

實際上，這場“代工雙雄”之間的競爭沒有誰會輸?shù)膹氐?，因為這個行業(yè)中的絕大部分廠商已經(jīng)完全告別了先進制程的競賽，比如過去耳熟能詳?shù)母窳_方德和聯(lián)華電子，眼下都只能靠著28nm制程產(chǎn)品線去維持市場，“摩爾定律”在這些公司身上已基本失效。

隨著雙寡頭拉起的3nm制程競賽，未來行業(yè)內(nèi)的晶圓代工訂單勢必將向這兩家公司進一步集中，由于半導體行業(yè)極度依賴規(guī)模效應，未來晶圓代工這個行業(yè)也很難再有新的挑戰(zhàn)者出現(xiàn)。