INTEL不服，3納米真的是3納米？

汽車芯片短缺造成焦頭爛額之際，臺積電（TSMC）與三星電子的3納米芯片制程大戰卻到了緊要關頭。

近日，有外媒報道臺積電再次發布提升3納米工藝產能的消息。作為蘋果主要芯片供應商，臺積電有望在今年下半年開始3納米工藝芯片的試生產。

實際上，去年年中的時候，臺積電已經宣布過計劃提升3納米工藝產能，2022年中將3納米工藝的月產能提升到5.5萬塊，并在2023年將產能進一步擴大到10.5萬塊。與此同時，臺積電還計劃在今年內擴大5納米芯片的產能，以滿足其主要客戶日益增長的需求。

與5納米工藝芯片相比，3納米芯片在功耗和性能方面分別提升30%和15%。這是科技公司們排隊等待臺積電晶圓的原因之一。不過，我們還是要問，這場競爭的制程極限在哪里？

3納米的極限

晶圓真的是門好生意。據調研機構IC Insights估計，2020年臺積電每片晶圓的營收達1,634美元，居同業之冠。臺積電較格羅方德984美元高約66%，也比中芯684美元及聯電675美元高出1倍以上。

由于臺積電去年是全球獨家能同時量產7納米與5米工藝晶圓的代工廠，據IC Insights估計，有16 家年營收超過10億美元IC設計廠排隊，等待臺積電的新產品，這也推升了其晶圓的營收暴增。

除了5納米，臺積電即將發力的是最先進的3納米制程工藝。實際上，早在2017年9月29日，臺積電宣布未來3納米（nm）制程晶圓廠，落腳臺灣臺南市的南部科學工業園區（簡稱“南科”），當時預計最快2022年量產。

目前，臺積電在南科有3座晶圓廠，分別是晶圓14廠、晶圓18廠和晶圓6廠。其中，14廠和18廠是12英寸晶圓，6廠是8英寸晶圓。而晶圓18廠是5納米制程的主要生產基地。臺積電3納米制程的晶圓廠，也建在18廠內。

2020年一季度，臺積電宣布3納米制程將在2021年試產，并在2022下半年正式量產，如今宣布提升產能，一方面是需求的強力推動，另一方面也是技術方面的不斷提升。而從技術的投入來說，臺積電董事長劉德音曾經表示，為了3納米制程技術，臺積電于南科廠的累計投資將超過新臺幣2萬億元（約4630億元人民幣）。

在向3納米跑步前進的道路上，臺積電的對手三星，2019年5月就表示其3納米預計2021年推出（2020年試產）。而INTEL預計2025年才能推出（老實人啊，不玩數字游戲）。只是后來由于2020年的疫情影響，三星的3納米制程推出時間延后到了2022年。

而說到INTEL，對于臺積電的10納米及以下的工藝說法是頗有微詞的，INTEL認為臺積電和三星在偷換概念。因為，業內講的“制程工藝就是柵極的寬度”，在節點技術不斷推進的過程中，制程工藝的數字已經和柵極的實際寬度發生了偏離。也就是，柵極實際寬度越來越達不到制程工藝說的那個數字。

所以，這一切都變成了營銷游戲。自從三星開了這個壞的頭，臺積電也這么玩了。2019年，臺積電研發負責人黃漢森也曾坦承，“現在描述工藝水平的 XXnm 說法已經不科學，因為它與晶體管柵極已經不是絕對相關，制程節點已經變成了一種營銷游戲，與科技本身的特性沒什么關系。”

不過這個游戲還是得進行下去。而根據IEEE的國際裝置與系統發展路線圖2017預計，3納米制程將在2024年量產，后繼者是2.1納米（2027）、1.5納米（2030）和1納米（2033）。臺積電和INTEL皆規劃以2納米作為接續3納米的制程，臺積電預計2024年量產，INTEL預計2027年推出。

你可以看到，INTEL的2025年量產3納米相對來說似乎更真實點。而從摩爾定律的發展終極來講，INTEL的路線圖以1.4納米（2029年）作為2納米的繼承者，臺積電亦表示后續會發展至1納米。不管怎么說，這場燒錢、燒技術的“微觀”大戰，還要拼很久。

3納米用GAA

我們從技術來說說未來即將發生的變化。臺積電的3納米制程將繼續采用FinFET（鰭式場效應晶體管）。而三星則是直接采用GAA（Gate-All-Around FET，全環繞式結構場效應晶體管）。不過，臺積電去年也正式宣布，將在2納米節點引入GAA技術。

那么說到FinFET（鰭式場效應晶體管），就得說到半導體的技術發展史，其本質其實就是晶體管尺寸的縮小史。從上世紀七十年代的10微米節點開始，半導體的發展一直遵循著摩爾定律。

在發展的過程中，自從22納米節點上被英特爾首次采用，FinFET在過去的十年里成了成為了半導體器件的主流結構。不過，到了5納米節點之后，鰭式結構已經很難滿足晶體管所需的靜電控制，漏電現象在尺寸進一步縮小的情況下急劇惡化。臺積電非常明白這種境況。

因此，半導體行業也需要一個新的解決方案。正是基于這一原因，GAA被廣泛認為是鰭式結構的下一代接任者。當然，不管是先前的MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）、當下的FinFET還是未來的GAA，雖然形狀和材料發生了變化，但說到底都是場效應晶體管（FET，Field-Effect Transistor）。

2019年，在三星晶圓制造論壇（Samsung Foundry Forum）上，三星明確表示將會在3納米節點放棄鰭式結構，轉向GAA技術。這場大戰在3納米節點上即將爆發。

此外，目前英特爾仍然受困于7納米技術難產，尚未給出何時引入GAA的具體計劃。但英特爾的首席技術官麥克邁克·梅伯里博士曾在去年表示希望能在五年之內實現GAA技術的量產。不過，雖說目前臺積電氣勢如虹，但要說INTEL就“弱雞”了，還是很不恰當。

還有一個關于未來技術走向的問題是，根據當前預計，水平方向上的GAA足以維持柵線的周期從54納米縮減到30~40納米左右（2~3代節點）。但是，此后晶體管的發展，則充滿了挑戰與不確定性。

而目前已知的幾種備選方案中，垂直納米線結構、互補式結構、堆疊式結構是較為可行的方案。這些新型的結構理論上都比GAA的結構具備更加優越的性能，但是也需要更為先進的工藝水平才能實現商業化生產。從目前的信息來看，互補式結構最有可能成為GAA之后的選擇。

而今，由于3納米制程技術難度非常大，三星美國工廠也就是德州奧斯汀的晶圓工廠，在2023年前恐怕還難以正式量產。這對于力求趕超臺積電的三星來說，壓力依然不小。

有業內人士分析，就目前臺積電所公布的制程推進狀況來看，采用EUV光刻（Extreme ultraviolet lithography，極紫外光光刻）的5納米良品率已經快速追上7納米，甚至有業內人士預期臺積電的3納米試生產良品率即可達到9成。

所以，就算三星能依靠國內工廠2022年提前量產3納米GAA，但在性能上未必能壓得過臺積電，在3納米制程這場“龍爭虎斗”中，鹿死誰手還需要拭目以待。

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