臺積電發(fā)誓要在 2022 年下半年啟動其 3 納米工藝節(jié)點，但于 12 月 29 日在其位于臺灣南部科學(xué)園區(qū) (STSP) 的擴(kuò)建制造工廠為這個尖端制造節(jié)點剪彩，勉強(qiáng)實現(xiàn)了這一目標(biāo)。在三星開始生產(chǎn)基于全能柵極 (GAA) 技術(shù)的 3 納米芯片近六個月后，臺積電基于久經(jīng)考驗的 FinFET 晶體管架構(gòu)，成功實現(xiàn)了從 5 納米到 3 納米芯片制造工藝的全節(jié)點推進(jìn)。

　　據(jù)媒體報道，蘋果已經(jīng)獲得了臺積電第一代3納米工藝N3的100%初始供應(yīng)，從基線開始。早期的報告顯示，N3工藝的良率可能高達(dá)80%。接下來，臺積電計劃在 2023 年下半年轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的 3 納米版本 N3E。那時，其他臺積電客戶——AMD、英特爾和高通——計劃在他們的芯片上采用3納米工藝。

　　N3采用超復(fù)雜工藝，采用24層多圖案極紫外(EUV)光刻技術(shù)，密度更大，因此邏輯密度更高。另一方面，N3E使用更簡單的19層單圖案技術(shù)，更容易生產(chǎn)，成本更低。與基線 N3 過程相比，它還將使用更少的功率和更高的時鐘。

　　臺積電首席執(zhí)行官C. C. Wei預(yù)計，3納米制造工藝在批量生產(chǎn)后的五年內(nèi)價值將超過1.5萬億美元。然而，就目前而言，N3晶圓的成本約為20，000美元，而臺積電的5納米節(jié)點N5的成本為16，000美元。這就是為什么除了蘋果之外的芯片開發(fā)商在等待更經(jīng)濟(jì)的N3E工藝節(jié)點時袖手旁觀的部分原因。

　　圖1 臺積電的第一個3納米節(jié)點，稱為N3，聲稱與該公司的5納米節(jié)點相比，在相同功率下性能提高15%，在相同速度下效率提高30%。源： 臺積電

　　與臺積電于 2020 年推出的 5 納米節(jié)點相比，這家大型晶圓廠聲稱其 N3 工藝的邏輯密度提高了 60% 至 70%，性能提高了 15%，同時功耗降低了 30% 至 35%。在這里，需要注意的是，臺積電的N5增強(qiáng)版，蘋果稱之為4納米，本質(zhì)上生產(chǎn)5納米芯片。從這種增強(qiáng)的5納米工藝轉(zhuǎn)向新的3納米工藝也將帶來巨大的好處，包括更低的功耗和更高的密度，在同一區(qū)域內(nèi)增加60%或更多的芯片邏輯和緩存。

　　3 nm 位于 智能手機(jī)大戰(zhàn)

　　臺積電的3納米技術(shù)可能會用于蘋果的A17片上系統(tǒng)(SoC)，預(yù)計將為今年晚些時候推出的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max型號提供動力。在這里，3納米技術(shù)有望比用于為iPhone 14 Pro和Pro Max制造A16 SoC的4納米技術(shù)提高35%。

　　據(jù)媒體報道，蘋果還可能圍繞臺積電的3納米技術(shù)為MacBook Air構(gòu)建其M3芯片，該技術(shù)將于2023年晚些時候推出。同樣，對于將于2024年推出的MacBook Pro，M3 Pro和M3 Max芯片也有望利用3納米制造工藝節(jié)點。

　　據(jù)報道，臺積電最大的客戶蘋果公司占其收入的25%，已經(jīng)預(yù)訂了整個N3供應(yīng)。另一方面，蘋果在智能手機(jī)處理器前沿的主要競爭對手高通和聯(lián)發(fā)科已決定等待臺積電的第二代3納米技術(shù)N3E，該技術(shù)將于今年晚些時候上市。在這里，值得注意的是，雖然蘋果定制設(shè)計的SoC被整合到自己的最終產(chǎn)品中，但高通和聯(lián)發(fā)科等公司必須僅靠芯片獲利。

　　這可能就是為什么像高通和聯(lián)發(fā)科這樣的智能手機(jī)處理器供應(yīng)商正在等待今年晚些時候推出更經(jīng)濟(jì)的N3E節(jié)點的原因。這將不可避免地將采用3納米節(jié)點芯片的Android手機(jī)推向2024年及以后，進(jìn)一步擴(kuò)大蘋果在智能手機(jī)市場的領(lǐng)先地位。關(guān)于三星 Exynos 2300 芯片的報道相互矛盾，該芯片可能使用三星的 3 納米工藝;人們普遍預(yù)計它不會出現(xiàn)在S23或其他高端Galaxy手機(jī)中。

　　圖2 N3E工藝節(jié)點預(yù)計將于2023年下半年開始商業(yè)化生產(chǎn)。來源：臺積電

　　N3E工藝節(jié)點也在AMD和Nvidia等GPU供應(yīng)商的雷達(dá)上，用于PC游戲等應(yīng)用。

　　養(yǎng)育亞利桑那州

　　從技術(shù)角度來看，臺積電在這個新興的3納米工藝上進(jìn)展順利，到目前為止，N3節(jié)點的斜坡一直很順利。臺積電高管稱N3為重磅節(jié)點。該公司首席執(zhí)行官Wei還預(yù)計3納米工藝將比其前身5納米節(jié)點更有利可圖。然而，3納米節(jié)點的出現(xiàn)恰逢臺積電在新地區(qū)的擴(kuò)張以及國際貿(mào)易限制和制裁下的供應(yīng)鏈困境。

　　臺積電創(chuàng)始人莫里斯·張(Morris Chang)抓住了公司新晶圓廠訂單背后的緊張關(guān)系，他宣稱全球化“幾乎已經(jīng)死了”。該公司首席執(zhí)行官魏還抱怨地緣政治沖突，據(jù)他說，這創(chuàng)造了臺積電無法再在全球銷售硅片的環(huán)境。

　　數(shù)字 3 TSMS還在亞利桑那州的晶圓廠建立3納米制造能力。來源：臺積電

　　臺積電在亞利桑那州宣布的新晶圓廠于2020年宣布，將于2024年開始生產(chǎn)4納米芯片。隨后將建設(shè)第二家晶圓廠，該晶圓廠將于2026年開始生產(chǎn)3納米芯片。這意味著美國將在臺灣之后近三年掌握3納米制造工藝節(jié)點。

　　同樣，美國將在臺積電的4納米制造技術(shù)在臺灣上市兩年后獲得該技術(shù)。值得一提的是，臺積電雖然正在擴(kuò)大其在美國及其他地區(qū)的制造設(shè)施，但它致力于在其臺灣晶圓廠保持最好的芯片制造技術(shù)。

　　萬億美元的業(yè)務(wù)

　　臺積電計劃今年在資本支出上花費320億至360億美元，以滿足對合同芯片制造不斷增長的需求。該預(yù)算的 70% 將用于高級節(jié)點：7 nm 或更小。在這里，雖然臺積電圍繞新的GAA技術(shù)構(gòu)建的2納米節(jié)點很可能在2025年左右亮相，但在可預(yù)見的未來，3納米工藝看起來像是其主要的高級節(jié)點。

　　一個 數(shù)碼時代 報告稱，臺積電已逐步擴(kuò)大3納米工藝產(chǎn)能，月產(chǎn)量將在2023年3月達(dá)到45，000片晶圓。據(jù)臺積電董事長Mark Liu稱，3納米節(jié)點的良率與制造周期同一點的上一代相當(dāng)。

　　再加上蘋果成為第一家采用這種尖端工藝節(jié)點的芯片開發(fā)商，這表明臺積電的3納米工藝技術(shù)正在走上正軌。盡管這家半導(dǎo)體巨頭的基準(zhǔn)N3節(jié)點收入為個位數(shù)百分比，蘋果是唯一的消費者，但仍達(dá)數(shù)十億美元。一旦N3的增強(qiáng)版N3E在今年晚些時候加入，其他針對高性能計算(HPC)和智能手機(jī)應(yīng)用的大型芯片開發(fā)商加入3納米的競爭，一旦所有的錢在幾年內(nèi)計算完畢，它可能會成為一個萬億美元的業(yè)務(wù)。