最烧钱的技术战！全球冲刺3nm芯片，100亿美元起

最近，台积电终于公开承认了自己的3nm计划。最终，半导体制造业这场决定未来制程走向的关键一役――3nm技术之战还是来了。

3nm成为竞争关键点

三星的5nm工艺将作为其7nm LPP的改良面向市场推出，而3nm工艺才被三星视为是能够超越台积电的关键节点，在该节点中，三星将采用GAA MCFET(多桥通道FET)工艺。为什么三星会将赌注押在3nm节点上?

从三星和台积电在过去三年的竞争中看，当年三星将其代工业务独立出来之时，也正值先进工艺即将进入10nm工艺阶段。彼时，两者均推出了10nm工艺的产品。但当年三星10nm大客户仅有高通，不敌台积电。

此后三星又在10nm上推出三种不同的改进工艺，以试图抢夺更多的订单。而台积电则在推出10nm以后，转向了更具优势的7nm工艺。7nm对于半导体制造工艺来说是非常重要的里程碑。2018年台积电宣布其7nm开始量产，三星则是选择在7nm上使用EUV。同年，三星7nm EUV也宣布了量产计划，但因其7nm EUV工艺技术不够成熟，因而未能得到市场的认可。在此期间，华为海思、高通、英特尔和联发科等企业纷纷投入到台积电的怀抱。三星错失了抢夺7nm订单的最佳时期。

但根据市场情况来看，7nm在如今的市场中仍然保持着活力，三星7nm EUV技术也在去年得到了改善。于是，三星凭借低价抢夺了原在台积电手中的英伟达的订单。此外，三星还从台积电手中抢走了IBM Power系列处理器的订单。但这并不足以支撑三星在7nm上超越台积电。所以，三星只能放眼下一代先进制程。

双雄剑指3nm

三星已成功研发出首个基于GAAFET的3nm制程，预计2022年开启量产。与7nm工艺相比，3nm工艺可将核心面积减少45%，功耗降低50%，性能提升35%。

（图片来源于电子信息产业网，下同）

按照三星的研发路线图，在6nm LPP之后，还有5nm LPE、4nm LPE两个节点，随后进入3nm节点，分为GAE(GAA Early)以及GAP(GAA Plus)两代。去年5月，三星的3nm GAE设计套件0.1版本已经就绪，以帮助客户尽早启动3nm设计。三星预计该技术将在下一代手机、网络、自动驾驶、人工智能及物联网等设备中使用。

以2022年量产为目标的台积电，也在按计划推进3nm研发。台积电相关人士表示，台积电在3nm节点技术开发进展顺利，已经与早期客户进行接触。台积电投资6000亿新台币(约合1380亿元)的3nm宝山厂也于去年通过了用地申请，预计2020年动工，2022年量产。

台积电在7nm节点取得了绝对优势，在5nm也进展顺利，获得了苹果A14等订单。但三星并没有放松追赶的脚步，计划到2030年前在半导体业务投资1160亿美元(约合8000亿元)，以增强在非内存芯片市场的实力。台积电创始人张忠谋日前对媒体表示，台积电与三星的战争还没有结束，台积电只是赢得了一两场战役，可整个战争还没有赢，目前台积电暂时占优。

世界上最烧钱长跑：芯片制程进阶之路

什么是芯片制程?制程用来描述芯片晶体管栅极宽度的大小，纳米数字越小，说明晶体管密度越大，芯片性能就越高。

例如，台积电7nm芯片的典型代表苹果A13、高通骁龙865和华为麒麟990，每平方毫米约有1亿个晶体管。随后台积电5nm、3nm芯片进一步将每平方毫米的晶体管数量进一步提升至1.713亿个、2.5亿个。

伴随着制程的进化，5nm比7nm芯片性能提升15%，功耗降低30%;3nm又比5nm芯片性能提升10-15%，功耗降低25-30%。

由于各家对制程工艺的命名法则不同，相同纳米制程下，并不能对各厂商的制程技术进展做直观比较。比如英特尔10nm的晶体管密度与台积电7nm、三星7nm的晶体管密度相当。

从制程最新进展来看，一边是台积电三星在5nm/3nm等先进制程上你追我赶，另一边英特尔则韬光养晦循序渐进地走向7nm。

5nm方面，台积电已经拿到苹果和华为的旗舰手机芯片订单，下半年开启量产，有望在其2020年营收占比达10%。

三星在5nm制程则相对落后，目前正加速韩国华城5nm生产工厂V1的建设，预计6月底前完成生产线建设，今年年底前实现量产。

据外媒报道，三星与谷歌正合作开发采用三星5nm LPE工艺的定制Exynos芯片组，将搭载于谷歌的Pixel智能手机、Chrome OS设备甚至数据中心服务器中。

3nm方面，台积电3nm制程预计2021年开始试生产，并于2022年下半年开始量产。三星原计划2021年大规模量产3nm工艺，但受当前疫情影响，不确定量产时间是否会推迟。

为什么挺进先进制程的玩家屈指可数呢?主要源于两大门槛：资本和技术。

制程工艺的研发和生产成本逐代上涨。根据相关数据，3nm芯片的设计费用约达5-15亿美元，兴建一条3nm产线的成本约为150-200亿美元。

两年前台积电为3nm工艺计划投资6000亿新台币，折合近200亿美元。单是从资金数目来看，很多中小型晶圆厂就玩不起。

更高的研发和生产成本，对应的是更难的技术挑战。

每当制程工艺逼近物理极限，晶体管结构、光刻、沉积、刻蚀、检测、封装等技术的创新与协同配合，对芯片性能天花板的突破起到决定性作用。