3nm晶片：台積電和三星“決生死”，蘋果隔岸觀戰丨亮見39期

整理編輯 / 趙楊博

蘋果年度旗艦iPhone 15 Pro系列的A17 Pro晶片，首發台積電N3工藝，将行業帶入3nm時代。

根據官方公布的資料，采用N3工藝的A17 Pro，半導體數量達到了驚人的190億，作為對比，它的上一代産品，采用4nm工藝制程的A16 Bionic晶片僅有160億。

蘋果拉開3nm時代的序幕，也掀起了一場激烈的技術、市場争奪戰，守擂的是代工巨頭台積電，發起猛烈挑戰的則是三星和英特爾。

三星在晶圓代工市場屬于新貴，2010年開始承接iPhone處理器A4的代工訂單，到2014年，蘋果調整政策，将部分訂單轉交台積電，直至全部投入台積電懷抱，徹底放棄三星。

為了反擊，三星大手筆押注3nm節點，在GAAFET的基礎上自研MBCFET架構，試圖與台積電一較高下，奪回失去的訂單和客戶，一個潛在的信号是——英偉達正在和三星試水其3nm工藝。

三星和台積電在3nm之間的博弈，被認為是“既分高下，也決生死”。

9月19日，亮見聯合騰訊科技，特邀知名半導體投資人、騰訊新聞作者 啟哥有何妙計 陳啟，直播解讀代工巨頭的3nm争奪戰，講述三星和台積電各自的3nm路線圖、市場前景。

以下為直播精華脫水版（在不改變原意的情況下有删減調整）

01

重識3nm：晶片工藝的極限在哪裡？

劉興亮：最近行業都在讨論3nm，這裡所說的3nm指的是什麼？

陳啟：自從幾年前開始，中國對半導體行業的重視逐漸增加。人們對晶片行業的新聞關注也不斷升高。我們從28nm到45nm再到現在的3nm級别的數值有何意義？

早期半導體的實際特征尺寸（critical dimension，簡稱CD），它與工藝節點一一對應。例如，如果在8英寸晶圓上半導體特征尺寸250nm，對應的即250nm工藝。

從45nm到28nm之後，半導體開始微縮，半導體的實際尺寸與工藝節點的标稱方法開始有差異，半導體的命名方式采用等效标稱方法。

假設有一款奧迪A6 45TFSI汽車，它搭載的是渦輪增壓發動機。它大緻相當于2.4-2.6自然吸氣排量發動機。通過這個"45TFSI"這個辨別，你無法準确知道它的實際排量，但實際上它大緻相當等效于2.4到2.6之間。

行業會使用各種參數來對比前一代甚至是再前一代的制程，比如現在所謂的3nm，是相比于7nm和14nm，它的頻率提高，面積縮小，功耗降低，密度增加，性能提升，是以請大家記住，3nm并不是半導體的實際特征尺寸。

劉興亮：現在有7nm，5nm，3nm，那未來是不是還會有1nm，再往後會如何發展？

陳啟：業内已經在追求小于2nm的技術，并且以埃（Angstrom，符号為A）為機關表示，1A等于0.1nm，是以以下的數值可以轉換為nm：20A相當于2nm，18A相當于1.8nm，16A相當于1.6nm，以此類推。

ICInsight提供的主要代工廠工藝節點量産路線圖

歐洲有一個名為EMAC的機構位正在研發大約1nm的技術，這類研究更多是純科研性質，具體何時問世尚不得而知。

目前我們人類在內建電路工藝上所觀察到的尺寸僅限于1nm。對于更小尺寸，可能需要改變材料，也可能有新的命名方式。

劉興亮：台積電3nm又劃分為N3B、N3E，這種命名上的分區是什麼？

陳啟：它類似于汽車上的不同型号，例如運動型、舒适型、标準型等，比如N3B、N3E、N3X、N3P等等都是基于同一技術平台。

然而，不同客戶有不同的需求。有些客戶需要高性能，例如用于伺服器的CPU需要有高性能；有些客戶注重低功耗，例如用于手機的CPU需要控制散熱。還有一些客戶則着重于成本節約，是以，在同一技術平台上，會有多個細分版本如N3B、N3E、N3X等。

台積電工藝節點路線圖

劉興亮：蘋果A17采用的就是台積電的3nm技術，它的半導體密度做到了190億，那我想問三星包括以及其他一些代工廠，他們現在大概是什麼水準？

陳啟：目前的兩家公司分别是台積電和三星，英特爾則是追趕的态勢。盡管英特爾也提出IDM 2.0戰略，轉型參與代工業務，但目前這個計劃還處于早期階段。

在3nm節點，半導體結構主要包括兩種類型，可以看作是兩條不同的技術路線。台積電仍在采用FinFET（鳍式場效應半導體）技術，而三星在5nm階段摒棄了FinFET結構，采用了IBM開發的全環繞栅極半導體技術，即GAA（Gate-All-Around）技術。在GAA技術方面，三星還有一種改良版本，稱為MBCFET。

Planar、FinFET和MACFET架構立體圖及剖面圖對比

目前看來，從工藝複雜度來看，三星大概比台積電領先一兩個版本。

然而，台積電作為一家全球最強大代工廠，在制造水準、良率等方面表現出色。是以，三星雖然使用了更先進的架構，但制造水準、良率等與台積電之間還存在一定程度的差距。

劉興亮：FinFET和MBCFET兩者架構，差别在什麼地方？

陳啟：兩者存在着顯著差異，這是由半導體結構引起的。開發GAA技術和MBCFET技術是因為人們了解到FinFET技術已經接近極限。

GAA技術适用于某些結構，能夠實作更高的密度，并減少漏電。此外，從性能角度來看，它具有更好的靜電特性。GAA技術對于控制通道非常有優勢，具有更強的電壓控制能力，可以進一步縮小尺寸。

未來，當我們涉及到2nm技術後，GAA技術将成為主流，盡管三星在這方面稍早一步于台積電，目前實施的成果還一般。随着行業的工藝節點達到1.8nm、1.6nm或更低nm水準時，廠商将在同一結構上互相競争，就會涉及供應能力、成本、産能和對客戶的服務等綜合能力方面的競争。

02

三星VS台積電：彎道超車與防守反擊

劉興亮：在過去的幾年，台積電一直以來都是晶圓代工的當紅炸子雞，行業頂尖的企業都在找台積電代工，而三星則弄丢了一大批客戶，包括蘋果、高通，到底是什麼原因讓三星變成了棄子？

陳啟：台積電自1987年成立以來，一直專注于代工市場。通過一系列的銷售整合，2000年左右成為代工行業無可争議的上司者，一直保持至今。回顧過去20多年，台積電積累了豐富的經驗，使其在代工領域各個方面都成為行業的上司者，這一點是無可否認的。

三星以前也從事代工業務，但其本質上是一家專注于存儲器件的公司，到了2018年，三星将其代工部門分拆出來，成立了一個獨立的子公司，稱為LSI，并作為獨立資産營運。

與于1987年成立、經營了三十多年的台積電相比，三星在底蘊方面存在較大差距。此外，三星最初專注于存儲器件制程，雖然存儲器件制程也具有先進性，但存儲器件制程與台積電的邏輯客戶（數字電路客戶）的制程還存在一些差別。

蘋果A4與三星 S5PC110A01處理器DieShot對比，前者基于後者高度定制

我還記得當年購買iPhone 6s手機，有三星和台積電兩個版本，但買到哪個版本取決于運氣。從技術角度來看，當時三星的14nm制程相對于台積電的16nm制程稍有不足，兩個版本的iPhone功耗存在大約5%至10%的差距，換句話說，三星版本更耗電。

當然，三星也沒有完全放棄與高通、英偉達等公司的合作。三星在一些12nm晶片的制造中也承接了一些代工訂單。首先是因為台積電的産能有限，是以一些客戶轉而與三星合作；其次，除了蘋果等客戶也希望培養備胎供應商。否則，當台積電不斷提高價格時，他們無法承受，希望找一個第三方來降低成本。

是以，一些客戶會有意無意地給三星一些訂單，幫助他提升水準，看看他是否能夠再進一步發展。是以三星、台積電以及它們的一些大客戶之間存在着微妙的商業關系。他們既不希望三星做得太好，也不希望三星做得太差。

台積電希望在技術上始終超過三星，而三星則希望搶回一些客戶，這是一個非常微妙的關系。

劉興亮：蘋果為什麼要在台積電的一棵樹上吊死，本來他也有兩隻船？

陳啟：客戶在選擇合作夥伴時通常會保持一定的慣性，我們稱之為半導體設計工藝制造一體化（DTCO）。

作為客戶，注重實際效果、性能、良率和各方面的成本，而台積電願意投入大量資金進行研發，以響應客戶的一體化需求。一般來說，這種關系很難被撬動，而報價隻是考慮因素之一，但絕對不是唯一的考慮因素，客戶會綜合考量。

如前面所說，你可能比台積電便宜5%，但如果你的産品體驗非常差，導緻我無法賣出手機，那我為什麼要在成本上節省5%呢？

台積電CEO魏哲家與蘋果CEO 庫克

蘋果的政策會給其他客戶帶來标杆示範效應，避免和三星試水新工藝成為小白鼠，進而帶來風險。

另外，相對于台積電來說，三星可能在客戶群體上有所差異，數量差距也巨大。台積電提供各種制程，從成熟的12英寸制程到最先進的30nm和5nm制程都有，而三星隻專注于中間和前沿的部分，隻提供20nm以下的先進工藝。

劉興亮：客戶與企業的慣性是否會讓台積電越吃越跑，而讓三星越來越瘦，有這種可能嗎？

陳啟：一般來講晶片行業基本上都是赢者通吃，是以觀察台積電的整體營收，一直以來都是行業第一，并且保持在50%-60%左右的市占率，直到2018年後，三星橫空出世，先後承接蘋果、英偉達、高通的訂單，而現在大概是15%-18%的份額。

另外三星的份額來自聯華電子、格羅方德，特别是格羅方德，從原來10%掉到10%以下。這很明顯是老大、老二打架，老三吃虧。

這個事情很常見，經常出現在半導體行業又或者是老二，老三競争将老大邊緣化。總之兩個行業巨頭在競争，如果不跟進，你的市場佔有率就會被“吃掉”。

劉興亮：我們也看到其實三星并不甘心，他已經在3nm上押了重注，率先宣布了3nm的GAA工藝量産。英偉達也在和三星試水這一工藝，如果三星要從台積電再将客戶搶回，從三星的角度來看關鍵點在什麼地方？

陳啟：盡管三星充滿信心，要與台積電在3nm制程上展開競争，但根據我在業内的實際觀察，第一個方面是良率，這對于代工工廠來說是生命線，因為客戶與代工廠會簽署關于良率的保證書，對于客戶來說，良率是成本，也是他們與競争對手競争的成本。

舉個例子，如果我擁有100顆晶片，其中有99顆是可用的，隻有一顆是廢品。如果我選擇去其他代工工廠，而在那裡，我在100顆晶片中隻有90顆是可用的，那麼我就會損失十顆晶片。對于一家公司來說，這十顆晶片可能是利潤，也可能是生存的關鍵。

良率問題上，三星與台積電之間存在差距，在沒有完全解決這個問題之前，三星要挑戰台積電還不好說，這還要看三星對工藝的把控能力，通過巨大投入來提升良率，以及獲得行業标杆客戶，這是三星彎道超車的關鍵。

第二個方面是整個生态體系。相比三星，圍繞在台積電周邊的生态系統更為龐大。不管是布線、仿真，還是流片，都有大量第三方公司可以外包，客戶就隻需專注于自身擅長的部分，其他環節隻需支付費用就能解決。但是三星在這方面，我沒有聽說過有哪家大型第三方服務公司能夠提供從後端到驗證，布線設計，仿真以及流片等一攬子服務。

劉興亮：如果這些訂單能夠轉向三星，再從台積電的角度或者蘋果、高通以及客戶角度來看，可能的原因又有哪些？

陳啟：首先可能是因為MBCFET新半導體工藝，這是三星首次開發出來的工藝，目前台積電還沒有。它可以控制良率和成本，如果讓像高通、英偉達、AMD等企業認為基于商業成本考慮選擇在三星流片是可靠且可行的，那麼我認為這方面還有較大的可行性。

第二點是關于三星的主營業務是存儲領域，如果利用好先進工裝工藝，将一些高性能晶片（如CPU、GPU或AI推理晶片）與HBM（高寬帶記憶體）結合在一起，效率要高上千倍，三星有自研HDM技術，如果三星能夠在這個領域打下堅實的基礎，也有可能吸引客戶，但這方面也有困難，為像台積電這樣的公司在先進封裝領域同樣表現出色。

劉興亮： 三星跟台積電相比老感覺差一口氣，到底差在什麼地方？另外三星有可能超越台積電嗎？可能性多大？

陳啟：有，但是不大，比如我之前提到的，如果三星能夠提供更多的服務，例如記憶體方面的HBM記憶體，是否能夠直接與客戶進行合作，或者是否有更好的封裝工藝可以提供給客戶進行封裝？這樣可以給客戶提供更多附加值。另一方面是供應水準和良率問題。

劉興亮：在晶片行業裡面有個非常著名的摩爾定律，半導體大概每18個月左右性能要翻一番，價格降到一半，但現在從5nm到3nm性能上去了，但良率下降，是不是成本也上升了？

陳啟：非常正确，是以現在有一個新的概念叫後摩爾時代。

劉興亮：這是不是意味着摩爾定律失效？

陳啟：從傳統內建電路工藝上面來講，确實是失效了，因為它已經不再是每隔18個月性能翻倍。摩爾定律原文是每隔18個月半導體數量翻倍但是價格不變或者是銅半導體的價格減一半。

28nm工藝之後，性能和成本之間的對應關系已經被打破。幾十年前，行業就已經開始讨論，總有一天成本不再下降而上升，這實際上就是摩爾定律的最後一條被打破的時刻。

是以，行業提出了後摩爾時代的概念，并認為發展将分為兩個方向。

第一種方向是針對有需求的客戶，即那些從事數字電路、先進邏輯設計的客戶，他們繼續追求高性能。如我之前所述，他們希望在一個平方毫米的晶片面積上塞入大量的半導體，采用先進的數字制程；第二種方向是多元化，這意味着将不同種類的處理器（如CPU、GPU、DPU等）整合到一個異構架構的晶片中，然後使用先進封裝技術進行封裝。

我們将這種方案稱為超越摩爾，即後摩爾時代。

03

高通、英偉達、聯發科，誰先上車？

劉興亮：從5nm到這個3nm的疊代。簡單的數字變化到底能夠給客戶，包括使用者帶來怎樣的好處？

陳啟：兩個次元可以解答這個問題，首先是數字的變化，從5到3，表示着內建電路工藝的變化。

每一代內建電路工藝相比上一代都有各方面的提升，包括但不限于性能的提升和半導體密度的提高。在相同功耗下，速度可以更快；在相同性能下，功耗可以降低。

在內建電路領域，我想向大家科普一個小知識，那就是內建電路工藝中的核心邏輯，稱為PPA，代表三個英文字母，分别是性能（Performance）、功耗（Power）、面積（Area）。大家都喜歡有一種新的工藝，與上一代工藝相比，希望性能得到提升，功耗降低，面積縮小，這樣綜合成本就更低，這也是內建電路摩爾定律一直追求的目标，這一追求一直延續至今。

并非每個客戶都需要絕對的低功耗或高性能，我們通常以手機測試作為準則，比如在台積電N3工藝中，一些客戶追求的是N3E的低功耗版本。這種版本可能會降低手機的發熱量，進而提高電池的續航能力，這是比較實際的考量。而對于需要高性能運算的客戶來說，關注的是浮點運算能力的提升。

（對于需要高性能的客戶）假設在5nm工藝中，原來的業務需要100顆晶片才能達到目标算力，那麼在3nm工藝中，可能隻需要40顆晶片就能實作相同的算力。綜合考慮，對于這些客戶來說，采用3nm工藝更具成本效益。

每一代工藝的性能、面積和功耗都在不斷變化，這些變化在客戶終端上得到反映，要麼是性能提升，要麼是功耗降低，要麼是綜合能力提升。從設計公司的角度來看，采用新工藝給予他們更大的平台發揮空間，也對直接的客戶有所益處。

劉興亮：您能不能大概的算一算，從5nm到3nm他的成本到底是下降還是上升？生産一顆3nm和5nm的晶片它各需要多少錢？

陳啟：這也每家客戶和台積電之間的一個商業機密，我們隻能去猜測大緻的制造成本。

制造成本目前來講，大概5nm到3nm的流片費用大概占到了30%-40%，3nm一片晶圓大概是22000-24000美金的代工費，上面有多少顆晶片，也就能計算出單顆晶片的成本。相比之下，這隻是最小的一部分，占比大的則是IP和Mask工具以及各種授權，價格非常貴。

Mask即掩模闆，由于與半導體的密度、數量和性能密切相關的是光罩的層數，如果需要進行50次、60次或80次的光刻操作，那麼将需要相應數量的光罩裝置，其成本高達數千萬美元一套。

此外，流片過程中建立Code，除了自帶的技術、工具和資産，還有很多TECD工具，也需要付費。另外一部分費用是IP開發費用，還是以台積電為例，他們花費了數百億美元來開發3nm工藝，其中版權費就達到了上億美元。

是以将晶片的制造成本全都加起來，估計大約在三到四億美元之間。在全球範圍内，隻有極少數客戶能夠承擔這樣的晶片制造成本，數不過五個。

劉興亮：台積電到目前為止，有哪些基本确定3nm的客戶，對應哪些具體的産品？能否預估一下目前3nm晶片的市場規模到底有多大？

陳啟：因為成本太高，全世界并不是每個公司都能負擔得起這樣的晶片。

對于某些公司來說，他們可能會投入大量資金，例如英偉達、AMD和高通這樣的大型公司以及特斯拉這樣從事FSD自動駕駛技術的公司需要使用這樣的晶片。

因為投資需要從産品的成本中收回，如果無法收回的話，對設計客戶來說就是虧損了。是以，很多公司在導入先進制程方面非常謹慎。這個市場的規模可能不會太大，隻是由于晶片的單片毛利率很高，具有吸引力。

據估計，台積電如果能充分利用産能，預計可以實作幾十億美元的營收，相當于占據整個市場的5%至10%之間。

劉興亮：目前代工有台積電和三星，英特爾現在也在做準備，三星追趕台積電都這麼辛苦，英特爾有機會嗎？

陳啟：英特爾的2.0計劃是在前任CEO上任後提出的一項新戰略。該計劃旨在整合各個部門，并且其中一個重要方向是進行代工制造。

為了開展代工業務，英特爾先前還收購了以色列的高塔公司。然而，由于特定原因，該交易未能得以實作。

在我看來，英特爾在代工方面可能做不好。技術方面來說，英特爾應該沒有問題。盡管人們經常把英特爾稱為"牙膏廠"，然而，在工藝水準方面，英特爾到目前為止仍給台積電帶來了一定壓力。它的問題在于缺乏代工的理念和文化。從根本上說，它沒有DNA來支援其開展代工業務。

前不久，台積電前研發處處長楊光磊，參觀英特爾後發表了一番評論。起初，他認為英特爾有20%的成功機會，但在觀察了英特爾之後，他認為成功的機率隻有1%。

劉興亮：您覺得大概還需要多久？我們這個3nm在這個市面上能夠普及呢？

陳啟：看後續幾個主要客戶，主要是英偉達、AMD和高通，因為它們是比較确定的，很可能在未來一兩年内會采用。隻要有一個競争對手采用了某款晶片，其他競争對手一定會跟進。

今年蘋果取得了突破，使用了3nm技術的晶片，聯發科或許就将看情況跟進，類似這樣的主要客戶和潛在客戶對3nm晶片有真正需求。隻要的競争對手采用了，自然也會跟進，會被市場推着強迫去使用，因為如果不使用，性能和功耗就無法與競争對手抗衡，沒有其他辦法可選。