【導(dǎo)讀】新廠封頂！臺(tái)積電官宣3nm正式量產(chǎn)，高調(diào)辦慶典，最尖端晶圓廠不能去美國(guó)建。

近日，臺(tái)積電在南部科學(xué)園區(qū)的Fab 18新廠，高調(diào)舉行了3nm的大規(guī)模量產(chǎn)及產(chǎn)能擴(kuò)充儀式。 ? 和過(guò)去低調(diào)的作風(fēng)不同，臺(tái)積電這次的擴(kuò)廠典禮，可以說(shuō)是歷年最大規(guī)模。 ? ? ? 此次臺(tái)積電投資高達(dá)605億美元，比在美國(guó)亞利桑那州的400億美元投資足足高出了50%，而且美國(guó)的3nm，得等到2026年。 ? 在貿(mào)易全球化日益陷入危機(jī)的環(huán)境下，臺(tái)積電將最先進(jìn)的3nm技術(shù)基地留給了自己。用董事長(zhǎng)劉德音的在儀式上致辭的一句話說(shuō)，這是「臺(tái)積電對(duì)臺(tái)灣的承諾」。 ?

FinFET架構(gòu)「末代皇帝」：性能提升15%，功耗降低35%

與此前已廣泛部署在蘋果、高通和AMD的產(chǎn)品中的5nm節(jié)點(diǎn)工藝相比，3nm節(jié)點(diǎn)在性能和效率方面有明顯的提升。

臺(tái)積電聲稱，基于3nm的N3工藝將實(shí)現(xiàn)60%至70%的邏輯密度提升，15%的性能提升，同時(shí)比5nm的N5功耗降低30%至35%，并支持新的FINFLEX架構(gòu)。 ? 由此也實(shí)現(xiàn)了自5nm工藝的「全節(jié)點(diǎn)級(jí)別」的性能提升。 ? ? ? 值得注意的是，當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星正在轉(zhuǎn)向全門控晶體管設(shè)計(jì)（RibbonFET）時(shí)，臺(tái)積電仍堅(jiān)持使用久經(jīng)考驗(yàn)的FinFET晶體管架構(gòu)。 ? 預(yù)計(jì)在2nm工藝推出之前，新的晶圓廠不會(huì)采用RibbonFET設(shè)計(jì)。 ?

? 不過(guò)，最新的N3工藝幾乎沒(méi)有提供任何有關(guān)SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的擴(kuò)展。其儲(chǔ)存單元的面積為0.0199平方微米，與N5的0.021平方微米相比，只小了約5%。 ? 近年來(lái)，在芯片設(shè)計(jì)上非常倚重SRAM來(lái)提高性能，目前看這條路線已經(jīng)接近盡頭，今后進(jìn)一步提升性能、改善功耗，將不得不依靠對(duì)架構(gòu)本身的改進(jìn)。 ? 按照此前臺(tái)積電公布的技術(shù)路線圖，N3系列節(jié)點(diǎn)包括N3B、N3E、N3P、N3X和N3S。其中許多是針對(duì)特定目的優(yōu)化的小節(jié)點(diǎn)，但有所不同。N3B，即第一代N3，與N3E無(wú)關(guān)，不如將其視為一個(gè)完全不同的節(jié)點(diǎn)。 ? ? ? 由于良率控制不理想，N3B預(yù)計(jì)產(chǎn)量不大，后續(xù)迭代的時(shí)間窗也比較窄。目前很多廠家都在等待更新的N3E節(jié)點(diǎn)。 ? N3E的位單元尺寸為0.021平方微米，與N5完全相同，可能意味著臺(tái)積電已經(jīng)基本放棄了SRAM的擴(kuò)展這條技術(shù)路線。N3E在良率控制上比N3B好得多，預(yù)計(jì)明年年中量產(chǎn)。 ?

? N3P是N3E的后續(xù)節(jié)點(diǎn)，與N5P非常相似，通過(guò)優(yōu)化提供較小的性能和功率增益，同時(shí)保持IP兼容性。N3X與N4X類似，并針對(duì)非常高的性能進(jìn)行了優(yōu)化。到目前為止，這些后續(xù)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的功率、性能目標(biāo)和時(shí)間表尚未公布。 ? N3S可能是最終迭代，也是邏輯密度最佳優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)，目前具體參數(shù)了解不多，有媒體猜測(cè)， N3S 可能會(huì)采用Single-Fin Only Library，減低芯片最底層的金屬層高度，在晶體管密度上榨干「最后一滴油」。 ? 對(duì)于臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，N3將是最后一個(gè)基于FinFET晶體管的通用節(jié)點(diǎn)，也是一個(gè)服務(wù)了至少10年的節(jié)點(diǎn)。 ? ? ?

新廠封頂 ：3nm「搖錢樹(shù)」五年產(chǎn)出1.5萬(wàn)億美元

除了宣布3nm成功實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)外，臺(tái)積電當(dāng)天還非常隆重地舉行了晶圓十八廠（Fab 18）第八期的封頂儀式。

臺(tái)積電表示，為了擴(kuò)大3nm芯片的產(chǎn)能，公司將在Fab 18上投入超過(guò)1.86萬(wàn)億新臺(tái)幣（605億美元）。 ? ? ? 實(shí)際上，臺(tái)積電早已為3nm技術(shù)和產(chǎn)能擴(kuò)張奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 ? 2018年，這家全球最大的合同芯片制造商便計(jì)劃花費(fèi)7000億新臺(tái)幣在臺(tái)南建造一個(gè)「超大型晶圓廠」，也就是晶圓十八廠（Fab 18），來(lái)生產(chǎn)5nm芯片。當(dāng)時(shí)，臺(tái)積電就曾透露，會(huì)保留工廠一半的空間用于生產(chǎn)3nm芯片。 ? 在隨后的2020年，臺(tái)積電正式開(kāi)啟了5nm的量產(chǎn)。 ? 而此次高調(diào)宣布3nm的量產(chǎn)，也是為了逐步替代已經(jīng)推出超過(guò)兩年的5nm技術(shù)。 ? ? ? 臺(tái)積電主要的3nm生產(chǎn)設(shè)施：晶圓十八廠（Fab 18） ? 目前，臺(tái)積電在Fab 18的第一到第八期中，都配置了高達(dá)58,000平方米的大型無(wú)塵室，面積約為標(biāo)準(zhǔn)邏輯工廠的兩倍。 ? 臺(tái)積電估計(jì)，3nm技術(shù)在量產(chǎn)的五年內(nèi)創(chuàng)造出價(jià)值1.5萬(wàn)億美元的終端產(chǎn)品。與此同時(shí)，3nm在量產(chǎn)第一年帶來(lái)的營(yíng)收貢獻(xiàn)也將高于同期的5nm制程。 ? ? ? 據(jù)臺(tái)媒報(bào)道，目前3nm的良率推估約落在60%至70%，甚至已超過(guò)7成。而另一位產(chǎn)業(yè)分析師則推估，當(dāng)前臺(tái)積電3nm的制程良率，可能約落在75%-80%。 ? 相比起來(lái)，三星在今年6月實(shí)現(xiàn)的3nm量產(chǎn)，良率實(shí)際上不到20%，甚至有些晶圓只有10%的良率，且每片的落差很大，品質(zhì)不一 。 ? 分析師指出：「這代表三星其實(shí)不知道問(wèn)題到底在哪。」由于制程環(huán)節(jié)繁復(fù)，有時(shí)可多達(dá)1,000道步驟，要改善良率并非易事。 ?

全球化「已死」，好技術(shù)留給自己

在當(dāng)今的全球市場(chǎng)中，臺(tái)積電顯然對(duì)公司現(xiàn)在所處的位置很不滿意。

在本月早些時(shí)候的一次行業(yè)活動(dòng)中，臺(tái)積電首席執(zhí)行官魏哲家就抱怨說(shuō)，越來(lái)越激烈的地緣政治沖突，使公司不再能夠向全世界出售產(chǎn)品。 ? 就在幾周前，臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀說(shuō)得更直接，他認(rèn)為現(xiàn)在全球化和自由貿(mào)易「幾乎已死」。 ? ? ? 從臺(tái)積電高層的表態(tài)中不難看出，向外國(guó)擴(kuò)產(chǎn)建廠的巨大風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)是無(wú)可逃避的現(xiàn)實(shí)，此次在臺(tái)灣高調(diào)宣布3nm量產(chǎn)，除了展示技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，可能也是處于規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的考慮。 ? 本月早些時(shí)候，臺(tái)積電確認(rèn)，將在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城建立第二座晶圓廠，2026年上線后將生產(chǎn)3nm芯片。臺(tái)積電在2020年宣布在美建設(shè)的第一座工廠預(yù)計(jì)在2024年上線，生產(chǎn)4nm芯片。 ? ? ? 不過(guò)，雖然臺(tái)積電一直沒(méi)有停止在美國(guó)擴(kuò)大產(chǎn)能，還在考慮向歐洲擴(kuò)張，但更多仍然致力于臺(tái)灣地區(qū)，將最先進(jìn)的技術(shù)保留給臺(tái)灣地區(qū)的工廠。 ? 而對(duì)于美國(guó)工廠，按照目前的擴(kuò)產(chǎn)時(shí)間表，美國(guó)將在兩年后獲得臺(tái)積電4nm工藝技術(shù)，在近三年后獲得3nm工藝技術(shù)，2nm工藝技術(shù)則暫無(wú)計(jì)劃。 ? 此前，臺(tái)積電已經(jīng)在位于新竹和臺(tái)灣中部的科技園區(qū)為建設(shè)2nm晶圓廠做準(zhǔn)備。 ? 就在這次活動(dòng)上，臺(tái)積電宣布，位于新竹科技園的全球研發(fā)中心將于2023年第二季度正式啟用，將配備8000名研發(fā)人員。 ?

臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音在儀式上致辭 ? 劉德音表示： 「臺(tái)積電在保持其技術(shù)領(lǐng)先地位的同時(shí)，在臺(tái)灣進(jìn)行了大量投資，繼續(xù)投資并與環(huán)境共同繁榮。這次3nm量產(chǎn)和產(chǎn)能擴(kuò)張儀式表明，我們正在采取具體行動(dòng)，在臺(tái)灣發(fā)展先進(jìn)技術(shù)和擴(kuò)大產(chǎn)能。 ? 我們的目標(biāo)是與上下游供應(yīng)鏈共同成長(zhǎng)，培養(yǎng)未來(lái)從設(shè)計(jì)到制造、封裝測(cè)試、設(shè)備、材料等方面的人才，為全球提供最具競(jìng)爭(zhēng)力的先進(jìn)工藝技術(shù)和可靠產(chǎn)能，推動(dòng)未來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新。」 ? 他還表示，此次在臺(tái)灣地區(qū)建廠計(jì)劃的投資總額將超過(guò)605億美元，比臺(tái)積電計(jì)劃在美國(guó)投資的400億美元高出了約50%，這「顯示了臺(tái)積電對(duì)臺(tái)灣的承諾」。 ?

成本雖高，客戶排隊(duì)購(gòu)買

有傳言稱，幾乎所有臺(tái)積電最重要的客戶，包括AMD、蘋果、博通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、英偉達(dá)和高通都對(duì)使用臺(tái)積電的N3節(jié)點(diǎn)感興趣。

不過(guò)很難說(shuō)這些廠商何時(shí)徹底投身臺(tái)積電的3納米浪潮，用在什么產(chǎn)品上。 ? 蘋果可能是「第一個(gè)吃螃蟹的」，將臺(tái)積電N3技術(shù)用于其高端SoC上。同時(shí)，AMD打算在其將于2024年推出的基于Zen 5的一些產(chǎn)品中采用N3，而英偉達(dá)可能會(huì)在其將于同一時(shí)間段推出的基于Blackwell架構(gòu)的下一代GPU中使用N3。 ? ? 然而，最新的N3可不便宜。 ? 一些報(bào)道稱，臺(tái)積電可能會(huì)對(duì)使用其3納米級(jí)技術(shù)加工的每塊晶圓收取高達(dá)20,000美元。當(dāng)然，臺(tái)積電的定價(jià)取決于諸多因素，如產(chǎn)量、設(shè)計(jì)和規(guī)格等等。 ?

來(lái)源：eet-China ?

同時(shí)，昂貴的價(jià)格也意味著芯片設(shè)計(jì)公司會(huì)更愿意把臺(tái)積電的先進(jìn)節(jié)點(diǎn)保留給高端產(chǎn)品，而主流設(shè)備則采用成熟的制造技術(shù)。 ? 比如，蘋果就只在旗艦級(jí)的iPhone 14 Pro上搭載了基于臺(tái)積電的N4（4nm級(jí)）工藝的A16芯片。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)版的iPhone 14則依賴于基于N5P技術(shù)制造的A15。 ?

參考資料：

https://www.theregister.com/2022/12/29/tsmc_3nm_production_taiwan/

https://www.tomshardware.com/news/tsmc-kicks-off-3nm-production

https://pr.tsmc.com/english/news/2986

編輯：黃飛

?