宣言要在去年下半年啟動(dòng)3nm節(jié)點(diǎn)的臺(tái)積電，罕見(jiàn)于去年12月29日舉行臺(tái)南科學(xué)園區(qū)3nm量產(chǎn)暨擴(kuò)廠典禮。在三星基于Gate-All-Around(GAA)架構(gòu)啟動(dòng)3nm芯片制造的六個(gè)月后，臺(tái)積電已成功運(yùn)用相對(duì)成熟的FinFET晶體管架構(gòu)，成功將工藝節(jié)點(diǎn)從5nm推進(jìn)到3nm。據(jù)多間媒體報(bào)導(dǎo)，蘋(píng)果已經(jīng)包下臺(tái)積電第一代3nm N3工藝的首批量產(chǎn)芯片。報(bào)導(dǎo)指出N3工藝的良率預(yù)期將在2023年下半年推升到80%。屆時(shí)如AMD、英特爾(Intel)及高通等臺(tái)積電其他客戶，也計(jì)劃采用其3nm工藝生產(chǎn)芯片。N3使用非常復(fù)雜24層、多重圖案(multi-pattern)的極紫外光(EUV)顯影工藝，密度更高而可提供更高的邏輯電路密度。另一方面，升級(jí)版的N3E則使用相對(duì)簡(jiǎn)單、19層單一圖案(Single-pattern)的顯影工藝，更容易投入生產(chǎn)，成本也更低;與N3相比，其功率消耗更少，頻率也更快。臺(tái)積電總裁魏哲家預(yù)期3nm在量產(chǎn)的五年后，將有機(jī)會(huì)創(chuàng)造超過(guò)1.5兆美元的生意。不過(guò)就現(xiàn)在來(lái)說(shuō)，相較臺(tái)積電N5、也就是其5nm晶圓代工價(jià)格16,000美元，N3得付出的成本為20,000美元。這也是為何除了蘋(píng)果之外，其他芯片開(kāi)發(fā)商仍在等待更具成本效益的N3E的部分原因。相較在2020年推出的5nm節(jié)點(diǎn)工藝，臺(tái)積電表示其N3工藝的邏輯電路密度將提升60~70%，在節(jié)省30~35%功率消耗的同時(shí)還能提升15%的效能。這邊需要注意的是，臺(tái)積電升級(jí)版的N5，蘋(píng)果稱之為4nm，本質(zhì)上生產(chǎn)的仍為5nm的芯片。從增強(qiáng)的5nm前進(jìn)到3nm，將帶來(lái)顯著的益處，包括更低的功耗極更高的電路密度，并能在相同面積下，增加60%甚至更多的芯片邏輯和快取。3nm將躍升智能手機(jī)的主戰(zhàn)場(chǎng)蘋(píng)果用于預(yù)期在今年下半年發(fā)表的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max手機(jī)的系統(tǒng)單芯片(SoC)A17，將使用臺(tái)積電的3nm技術(shù)。蘋(píng)果前一代iPhone 14 Pro及Pro Max的A16芯片，是使用臺(tái)積電的4nm工藝，而這個(gè)3nm技術(shù)相較于4nm，預(yù)期帶來(lái)35%的功耗改善。據(jù)多間媒體的報(bào)導(dǎo)，蘋(píng)果也預(yù)計(jì)今年上市的MacBook Air，內(nèi)部使用的M3芯片也會(huì)采用臺(tái)積電的3nm工藝制造。同樣的，預(yù)計(jì)2024年上市的MacBook Pros內(nèi)部M3 Pro及M3 Max芯片，也預(yù)計(jì)會(huì)使用臺(tái)積電的3nm工藝。蘋(píng)果是臺(tái)積電最大客戶，其占臺(tái)積電整體營(yíng)收25%，傳出有意包下臺(tái)積電所有N3產(chǎn)能。另一方面，蘋(píng)果在先進(jìn)智能手機(jī)芯片的主要競(jìng)爭(zhēng)者，包括高通及聯(lián)發(fā)科技，選擇要等待臺(tái)積電預(yù)計(jì)于今年下半年發(fā)表的N3E工藝。值得一提的是，蘋(píng)果投入自制SoC是被整合到自己的終端產(chǎn)品，高通跟聯(lián)發(fā)科技則只能靠芯片獲利，這也可能是為何像這類智能手機(jī)處理器的供應(yīng)商，會(huì)希望等待更具經(jīng)濟(jì)效益的N3E推出。圖1：臺(tái)積電第一個(gè)3nm N3工藝相較5nm工藝，同樣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。(來(lái)源：臺(tái)積電)這樣的趨勢(shì)下，無(wú)疑會(huì)將安卓(Android)手機(jī)在2024年及之后，同樣采用3nm的芯片，并更進(jìn)一步擴(kuò)大蘋(píng)果在智能手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。與此趨勢(shì)不同，傳出采用三星3nm工藝的三星Exynos 2300芯片，很可能尚未用于其最新上市的Galaxy S23或其他Galaxy系列的高階手機(jī)。圖2：N3E工藝節(jié)點(diǎn)被預(yù)期將在2023年下半年投入商用。(來(lái)源：臺(tái)積電)在智能手機(jī)之外，像是AMD、NVIDIA等為電競(jìng)等應(yīng)用提供圖像處理器(GPU)的供應(yīng)商，也在關(guān)注臺(tái)積電的N3E工藝。從技術(shù)的角度，臺(tái)積電在迅速發(fā)展的3nm工藝工藝上進(jìn)展順利，目前為止在N3工藝的升級(jí)上也穩(wěn)健前行。一名臺(tái)積電高層稱N3將是一個(gè)非常重要的節(jié)點(diǎn)，魏哲家也說(shuō)，3nm工藝將比5nm工藝帶來(lái)更高的獲利。然而，3nm的問(wèn)世卻剛好同時(shí)遭遇臺(tái)積電在新地區(qū)的擴(kuò)產(chǎn)，以及其供應(yīng)鏈在國(guó)際貿(mào)易限制及制裁下的困境。臺(tái)積電創(chuàng)辦人張忠謀宣布“全球化已死”的言論時(shí)，道盡臺(tái)積電新晶圓廠訂單背后緊張的局勢(shì)。魏哲家更是對(duì)地緣政治沖突吐露不滿，據(jù)他的說(shuō)法，這導(dǎo)致臺(tái)積電無(wú)法在全球銷售晶圓。臺(tái)積電亞利桑那州新廠在2020年宣布將于2024年開(kāi)始生產(chǎn)4nm芯片，隨后將建立第二座晶圓廠預(yù)計(jì)2026年投入3nm芯片生產(chǎn)。這意味著美國(guó)將緊跟中國(guó)臺(tái)灣，在三年多后擁有3nm的制造工藝，兩年多后擁有臺(tái)積電4nm工藝技術(shù)。值得一提的是，臺(tái)積電正在美國(guó)及其他地區(qū)擴(kuò)大其制造廠區(qū)時(shí)，仍承諾將最好的芯片制造技術(shù)留在中國(guó)臺(tái)灣。臺(tái)積電計(jì)劃今年投入320~360億美元的資本支出，滿足日益增長(zhǎng)的晶圓代工需求，其中七成預(yù)算用于7nm以下的先進(jìn)工藝。雖然臺(tái)積電的2nm技術(shù)將以GAA架構(gòu)為基礎(chǔ)，并將在2025年左右推出，不過(guò)在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，3nm工藝看起來(lái)更像是其主要的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)。媒體報(bào)告稱，臺(tái)積電已逐步擴(kuò)大3nm工藝的月產(chǎn)能，預(yù)計(jì)今年3月將可望達(dá)45,000片。根據(jù)臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音的說(shuō)法，3nm工藝的良率與前幾世代相同的制造周期相比，已可相提并論。由此來(lái)看，加上蘋(píng)果成為第一間采用此先進(jìn)工藝的芯片開(kāi)發(fā)商，意味臺(tái)積電3nm的工藝技術(shù)正走在對(duì)的路徑上。盡管只有蘋(píng)果作為唯一的消費(fèi)者，使這間半導(dǎo)體巨頭來(lái)自N3節(jié)點(diǎn)的營(yíng)收僅占整體的個(gè)位數(shù)，不過(guò)仍達(dá)數(shù)十億美元。一旦升級(jí)版的N3E于今年下半年問(wèn)世，其他瞄準(zhǔn)高效能運(yùn)算(HPC)及智能手機(jī)應(yīng)用的大型芯片開(kāi)發(fā)商加入3nm競(jìng)爭(zhēng)行列，當(dāng)所有資金到位，它很可能在幾年內(nèi)搖身為價(jià)值上兆美元的生意。
