三星3nm量产客户曝光，首款产品已上市！台积电3nm良率已落后？

来源:芯智讯发布时间:2023-07-191429浏览

7月19日消息，知名半导体研究机构TechInsights于昨日发布了一篇拆解报告称，加密货币矿机制造商——比特微电子的Whatsminer M56S++矿机当中的AISC芯片采用的是三星3nm GAA（Gate-all-around，环绕栅极）制程工艺。

M56S++是比特微电子在今年5月发布的一款矿机产品，设计用于浸入式冷却，算力为230TH/s，效率为22J/T。

TechInsights称，这一发现证实了三星3nm GAA技术的成功商业化应用。这一发展非常重要，因为它具有增强性能、提高能源效率、遵循摩尔定律并实现先进应用的潜力。有助于三星后续2nm甚至更先进制程的研发。与 FinFET 同类产品不同，基于 GAA 的器件可对泄漏和驱动电流进行出色的控制，从而以更低的功耗实现更高的运行速度。

早在2021年6月，三星就率先宣布其基于GAA技术的3nm制程成已成功流片（Tape Out）。随后在2022年6月30日，三星正式宣布其已开始大规模生产基于3nm GAA制程工艺技术的芯片，这也使得三星抢先台积电成为了全球首家量产3nm的晶圆代工企业。

随后在2022年12月底，台积电也宣布量产了3nm制程工艺，不同的是，台积电的3nm制程工艺依然是基于FinFET技术。

而最新的爆料显示，三星3nm GAA工艺在良率上似乎也已经超过了台积电的3nm工艺，三星真的有望借助3nm GGA在先进制程工艺市场抢下更多的市场份额吗？

GAA架构晶体管有何优势？

传统的平面晶体管（Planar FET）通过降低电压来节省功耗，然而，平面晶体管的短沟道效应限制了电压的继续降低，而FinFET（鳍式场效应晶体管）的出现使得电压得以再次降低，但随着工艺的继续推进，FinFET已经不足以满足需求。于是，GAA技术应运而生。

典型的GAA形式——GAAFET是（Gate-all-around FETs）采用的是纳米线沟道设计，沟道整个外轮廓都被栅极完全包裹，代表栅极对沟道的控制性更好。相比之下，传统的FinFET 沟道仅3 面被栅极包围。GAAFET 架构的晶体管提供比FinFET 更好的静电特性，可满足某些栅极宽度的需求。这主要表现在同等尺寸结构下，GAA 的沟道控制能力强化，尺寸可以进一步微缩。

不过，三星认为采用纳米线沟道设计不仅复杂，且付出的成本可能也大于收益。因此，三星设计了一种全新的GAA形式——MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET，多桥-通道场效应管），采用多层堆叠的纳米片来替代GAAFET中的纳米线。这种纳米片设计已被研究机构IMEC当作FinFET 架构后续产品进行大量研究，并由IBM与三星和格芯合作发展。

三星表示，MBCFET可以在保留所有GAAFET优点的情况下，最小化复杂度。同时，MBCFET的设计可以兼容之前的FinFET技术，可以直接将为FinFET的设计迁移到MBCFET上，在不提升面积的情况下，提升性能。

此外，在制造环节，该技术也具高度可制造性，因为其利用约90% FinFET 制造技术与设备，只需少量修改的光罩即可。

三星在2021年就曾对外表示，MBCFET出色的栅极可控性，比三星原本FinFET 技术高出了31%，且纳米片通道宽度可直接图像化改变，设计更有灵活性。

三星的3nm GAA（MBCFET）工艺分为3GAAE (3nm Gate- AlI-Around Early）和3GAAP（3nm Gate- AlI-Around Plus）两个阶段。已经量产的正是3GAAE。

根据三星公布的数据显示，与其FinFET架构的5nm技术相比，其第一代3nm工艺（3GAAE）同等性能下可降低 45% 的功耗，同等功耗下可提高23%的性能，并减少16%的芯片面积，而下一代3GAAP将有望带来更多进步。

作为对比，台积电3nm最初版本（N3），对比N5同等功耗性能提升10-15%、同等性能下功耗降可低25-30%，逻辑密度达提升了70%，SRAM 密度提升了20%，模拟密度提升了10%。

已有两家矿机芯片客户采用？

在去年6月，据韩国媒体TheElec就曾援引消息人士的话透露称，已有客户向三星订购3nnm晶圆代工，第一个客户是加密货币挖矿机芯片厂上海磐矽半导体技术有限公司。此外，三星自己的Exynos芯片可能也将会采用。

资料显示，上海磐矽总部位于上海，是一家设计能力为28nm、16nm和10nm ASIC的高科技初创公司，专注于数字加密货币和Al应用的ASIC设计。

但是上海磐矽采用三星3nm GAA工艺代工的消息一直没有被外界证实。

此次，TechInsights对于比特微电子的Whatsminer M56S++矿机的拆解，则首次证实其AISC芯片是基于三星3nm GAA工艺代工。也首次证实了三星3nm GAA工艺确实有获得客户采用。

不过，需要指出的是，矿机芯片是一类针对加密货币算法加速的专用型芯片，设计上也并不复杂，重复大量简单的逻辑运算单元即可，设计复杂度也是要远低于通用型的CPU芯片的。这也使得其在制造上也相对于通用的CPU更为简单，良率也要更高。

所以，即便是三星3nm GAA工艺抢先台积电量产，并且成功被矿机芯片客户所采用，就代表了三星真的超越了台积电。

三星3nm良率已超台积电？

近日，Hi Investment Securities研究人员Park Sang-wook 发布研究报告指出，据估算，三星晶圆代工事业的4nm良率将在今年突破75%、3nm良率则有望超过60%，有机会赢得更多晶圆代工客户青睐。

而根据Arete Research 高级分析师Brett Simpson在一份报告中称，由于台积电3nm（N3）良率只有55%，这使得苹果将仅向台积电支付已知良好芯片的价格，而不是标准晶圆的价格，直到良率提升到70%左右。

据悉，苹果积极推出的A17处理器和M3处理器都将会采用台积电3nm工艺，但基于台积电3nm代工这两款芯片目前良率仅为55%，并且Simpson预计“台积电预计每个季度将良率提高约 5 个百分点以上。”也就是说，至少需要三到四个季度，台积电3nm的良率才会攀升至70%左右。

也就是说，目前台积电每片3nm晶圆生产出来的芯片只有55%是合格的，另外45%则是不合格的。相比之下，传闻显示三星的3nm良率将超过60%。如果消息属实，这也意味着三星在3nm良率上也超过了台积电。

但这仍不足以支撑三星在3nm工艺节点上从台积电手中抢下多少订单。毕竟三星仍需要通过成功量产更复杂的通用芯片来证明自身3nm GAA工艺品质的稳定和可靠。

由于越尖端的芯片的设计和制造成本就越高，不论是对于晶圆代工厂，还是对于客户来说，晶圆制造良率每提升一个点都将会带来更大的成本降低。因此，三星如果能够在3nm良率上持续超越台积电，才有机会吸引到苹果、AMD、英伟达等大客户的注意。

由于三星3nm一开始就采用的是全新GAA架构，这是使得三星在GAA架构的技术运用和量产方面要比台积电拥有更多的经验。这也使得三星有可能在后续的2nm技术的研发和量产上能够取得相对于台积电更多的优势。

根据三星的规划，其将于2025年开始量产在2nm工艺，并首先应用于移动应用，然后在2026年扩展到 HPC，并于 2027年扩展到汽车领域。三星称，其2nm工艺（SF2）与自家3nm (SF3) 相比，面积减少了5%，同等功耗下性能可提升12%，同等性能下功耗可降低25%。此外，更为先进的1.4nm工艺（SF1.4）将于2027年按计划开始量产。

除了三星之外，目前英特尔也正在积极的推进先进制程技术的研发。根据英特尔的规划，其Intel 20A和Intel 18A工艺都基于英特尔全新的优化性能和功耗的GAA晶体管架构RibbonFET和Power VIA电源传输系统（业界首个背面电能传输网络）等技术。其中，Intel 20A将在2024年上半年量产，Intel 18A将在2024年下半年量产。

在今年年初，英特尔曾宣布其埃米级工艺节点Intel 20A和Intel 18A已成功流片，也就是有相关设计定案，即规格、材料、性能目标等均已基本达成。英特尔也希望通过Intel 20A制程超越台积电，重新夺回其在先进制程领域的领先地位。

编辑：芯智讯-浪客剑

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