台积电第二代3nm技术将成为智能手机必争之地

宣言要在去年下半年启动3nm节点的台积电，罕见于去年12月29日举行台南科学园区3nm量产暨扩厂典礼。在三星基于Gate-All-Around(GAA)架构启动3nm芯片制造的六个月后，台积电已成功运用相对成熟的FinFET晶体管架构，成功将工艺节点从5nm推进到3nm。

据多间媒体报导，苹果已经包下台积电第一代3nmN3工艺的首批量产芯片。报导指出N3工艺的良率预期将在2023年下半年推升到80%。届时如AMD、英特尔(Intel)及高通等台积电其他客户，也计划采用其3nm工艺生产芯片。

N3使用非常复杂24层、多重图案(multi-pattern)的极紫外光(EUV)显影工艺，密度更高而可提供更高的逻辑电路密度。另一方面，升级版的N3E则使用相对简单、19层单一图案(Single-pattern)的显影工艺，更容易投入生产，成本也更低；与N3相比，其功率消耗更少，频率也更快。

台积电总裁魏哲家预期3nm在量产的五年后，将有机会创造超过1.5兆美元的生意。不过就现在来说，相较台积电N5、也就是其5nm晶圆代工价格16,000美元，N3得付出的成本为20,000美元。这也是为何除了苹果之外，其他芯片开发商仍在等待更具成本效益的N3E的部分原因。

相较在2020年推出的5nm节点工艺，台积电表示其N3工艺的逻辑电路密度将提升60~70%，在节省30~35%功率消耗的同时还能提升15%的效能。这边需要注意的是，台积电升级版的N5，苹果称之为4nm，本质上生产的仍为5nm的芯片。从增强的5nm前进到3nm，将带来显著的益处，包括更低的功耗极更高的电路密度，并能在相同面积下，增加60%甚至更多的芯片逻辑和快取。

3nm将跃升智能手机的主战场

苹果用于预期在今年下半年发表的iPhone15Pro和iPhone15ProMax手机的系统单芯片(SoC)A17，将使用台积电的3nm技术。苹果前一代iPhone14Pro及ProMax的A16芯片，是使用台积电的4nm工艺，而这个3nm技术相较于4nm，预期带来35%的功耗改善。

据多间媒体的报导，苹果也预计今年上市的MacBookAir，内部使用的M3芯片也会采用台积电的3nm工艺制造。同样的，预计2024年上市的MacBookPros内部M3Pro及M3Max芯片，也预计会使用台积电的3nm工艺。

苹果是台积电最大客户，其占台积电整体营收25%，传出有意包下台积电所有N3产能。另一方面，苹果在先进智能手机芯片的主要竞争者，包括高通及联发科技，选择要等待台积电预计于今年下半年发表的N3E工艺。值得一提的是，苹果投入自制SoC是被整合到自己的终端产品，高通跟联发科技则只能靠芯片获利，这也可能是为何像这类智能手机处理器的供应商，会希望等待更具经济效益的N3E推出。

图1：台积电第一个3nmN3工艺相较5nm工艺，同样的功率消耗下可提升15%的效能，相同速度下亦可提升30%的效率。(来源：台积电)

这样的趋势下，无疑会将安卓(Android)手机在2024年及之后，同样采用3nm的芯片，并更进一步扩大苹果在智能手机市场的领先地位。与此趋势不同，传出采用三星3nm工艺的三星Exynos2300芯片，很可能尚未用于其最新上市的GalaxyS23或其他Galaxy系列的高阶手机。

图2：N3E工艺节点被预期将在2023年下半年投入商用。(来源：台积电)

在智能手机之外，像是AMD、NVIDIA等为电竞等应用提供图像处理器(GPU)的供应商，也在关注台积电的N3E工艺。

亚利桑那厂启动

从技术的角度，台积电在迅速发展的3nm工艺工艺上进展顺利，目前为止在N3工艺的升级上也稳健前行。一名台积电高层称N3将是一个非常重要的节点，魏哲家也说，3nm工艺将比5nm工艺带来更高的获利。然而，3nm的问世却刚好同时遭遇台积电在新地区的扩产，以及其供应链在国际贸易限制及制裁下的困境。

台积电创办人张忠谋宣布“全球化已死”的言论时，道尽台积电新晶圆厂订单背后紧张的局势。魏哲家更是对地缘政治冲突吐露不满，据他的说法，这导致台积电无法在全球销售晶圆。

台积电亚利桑那州新厂在2020年宣布将于2024年开始生产4nm芯片，随后将建立第二座晶圆厂预计2026年投入3nm芯片生产。这意味着美国将紧跟中国台湾，在三年多后拥有3nm的制造工艺，两年多后拥有台积电4nm工艺技术。值得一提的是，台积电正在美国及其他地区扩大其制造厂区时，仍承诺将最好的芯片制造技术留在中国台湾。

兆元产业

台积电计划今年投入320~360亿美元的资本支出，满足日益增长的晶圆代工需求，其中七成预算用于7nm以下的先进工艺。虽然台积电的2nm技术将以GAA架构为基础，并将在2025年左右推出，不过在可预见的未来，3nm工艺看起来更像是其主要的先进工艺节点。

媒体报告称，台积电已逐步扩大3nm工艺的月产能，预计今年3月将可望达45,000片。根据台积电董事长刘德音的说法，3nm工艺的良率与前几世代相同的制造周期相比，已可相提并论。由此来看，加上苹果成为第一间采用此先进工艺的芯片开发商，意味台积电3nm的工艺技术正走在对的路径上。

尽管只有苹果作为唯一的消费者，使这间半导体巨头来自N3节点的营收仅占整体的个位数，不过仍达数十亿美元。一旦升级版的N3E于今年下半年问世，其他瞄准高效能运算(HPC)及智能手机应用的大型芯片开发商加入3nm竞争行列，当所有资金到位，它很可能在几年内摇身为价值上兆美元的生意。

(参考原文：TSMC’s 3-nm progress report: Better than expected，byMajeedAhmad)