臺積電披露3nm工藝更多細節，明年試產

8月25日，在臺積電第26屆技術研討會上，臺積電揭秘其3nm工藝節點的更多細節，並分享了5nm後續產品N5P和N4工藝節點的相關進展。

臺積電在先進位程領先的道路上一往無前，計劃3nm技術於2021年進入風險生產、在2022年開始量產，而英特爾的7nm預計最早推出也要到2022年末。

據介紹，相較5nm N5工藝，相同功耗下，臺積電3nm N3性能可提高10-15％；相同性能下，N3功耗可降低25-30％；N3的邏輯密度、SRAM密度、模擬密度分別是N5的1.7倍、1.2倍、1.1倍。

同時，臺積電總裁魏哲家宣布，臺積電已整合旗下包括SoIC、InFO、CoWoS等3D封裝技術平臺，命名為臺積電3D Fabric。

臺積電高級副總裁Kevin Zhang和Y.P. Chin在預先錄製的視頻中提到，臺積電正在其總部旁邊正建設一個專注於2nm晶片研發的新研發中心，擁有8000名工程師，將運營一條先進的生產線，該項目的第一階段將於2021年完成。

作為全球晶圓代工「一號玩家」，從臺積電的分享，我們可以看到全球先進位程最前沿的晶片製造技術風向。

一、5nm今年下半年見，3nm後年量產

在今天的臺積電技術研討會，臺積電介紹了5nm N5、N5P、N4工藝以及3nm N3工藝的PPA優化情況。

據悉，臺積電5nm N5工藝廣泛採用了EUV技術。相較7nm N7工藝，臺積電N5工藝在相同功耗下的性能提高了15％，在相同性能下的功耗降低了30％，邏輯密度為N7的1.8倍。

臺積電還提到，N5的缺陷密度學習曲線比N7快，這意味著5nm工藝將比其上一節點能更快地達到更高的良率。

N5P和N4屬於5nm N5的增強版本。

N5P主要面向高性能應用，計劃在2021年投入使用。與N5相比，同等功耗下，N5P的性能可提高5％；同等性能下，N5P的功耗可降低10％。

由於與N5節點在IP上兼容，因此臺積電的5nm N4工藝可提供直接遷移，性能、功耗和密度均有所增強。臺積電計劃在2021年第四季度開始N4風險生產，目標是在2022年實現大批量生產。

相比5nm N5節點，臺積電3nm N3在相同功耗下的性能可提高10%~15％，在相同性能下的功耗可降低25%~30％；邏輯密度提高70%，SRAM密度提高20%，模擬密度提高10%。

此外，臺積電還介紹了專為IoT、移動和邊緣設備等低功耗設備而設計的N12e工藝，該工藝是臺積電12 nm FinFET節點的增強版，擁有更低功耗、更高性能，支持超低漏電器件和低至0.4V的超低Vdd設計。

二、英特爾三星「摔跤」，臺積電「緊俏」

近來先進位程的戰場可謂是波瀾起伏，英特爾製程進化再度跳票，三星頻傳良率不過關，唯有臺積電一路喜訊不斷，不僅股價持續飆漲，躍居全球第十大市值公司，還迎來製造出10億顆7nm晶片的新裡程碑。

從率先搞定7nm的那一刻起，臺積電就成了整個「地球村」的希望。除了三星、英特爾這種自帶先進位造廠的IDM巨頭，大部分的頭部晶片設計公司都跑到臺積電7nm的門外排起長隊。

原因無他，製程工藝越先進，晶片性能越高、功耗越低，在市場上越有競爭力。

臺積電衝得不僅快，良率還高。2018年有超過50款7nm晶片量產，代工方都是臺積電。2019年，臺積電代工的7nm晶片設計更是超過100種。蘋果、高通、華為、英偉達、AMD、賽靈思、聯發科等晶片巨頭都是臺積電7nm的客戶。

同時，臺積電的7nm N7+工藝是全球第一個在大批量生產中採用EUV的節點，而向後兼容的N6邏輯密度又提高了18%。據臺積電介紹，N6具有與N7相同的缺陷密度。

臺積電2019年年報顯示，這一年，臺積電為499個客戶生產10761種不同的晶片，在半導體製造領域市場佔有率達52%。

從2020年上半年全球前大晶圓代工營收來看，臺積電的營收超過2~9名代工營收的總和。

據臺媒報導，臺灣三大科學園區2020年上半年營業額達13681億新臺幣（約合3220億人民幣），其中將近41%由臺積電貢獻。

三、臺積電能否被超越？短暫佔優勢，戰爭還沒結束

國際IT研究與顧問諮詢公司Gartner的數據顯示，先進位程將為晶圓代工市場營收貢獻越來越高的比重。

全球晶圓代工行業收入（億美元）

獨霸晶圓代工半壁江山的臺積電，有被彎道超車的可能嗎？

臺積電創始人張忠謀很謙遜，在2020年年初接受媒體採訪時提到，三星電子是很厲害的對手，目前臺積電暫時佔優勢，但臺積電跟三星的戰爭絕對還沒結束，臺積電還沒有贏。

臺積電相較三星有很多優勢， 比如它是一個純粹的晶圓代工廠，相較三星這種有自己晶片設計業務的IDM廠商，更易獲得客戶的信賴；比如它的技術推進順利，繼率先徵戰7nm市場後，又即將迎來5nm大規模落地。

臺積電總裁魏哲家曾透露，採用臺積電5nm完成的晶片tape-out數量將比7nm量產初期的同時期還要高，5nm也將成為臺積電繼7nm之後、另一個重大且具有長生命周期的製程節點，預估5nm在2020年營收佔比將達到10％。

但贏得市場最核心的籌碼——技術領先性——還存在變數。

痛失7nm市場的三星，已經擺足了架勢要在接下來的5nm及更先進位程的戰局中扳回一城。

接下來的戰役非常明朗，核心動作都是砸錢、擴產、搶先發。

首先，持續增加研發投入和資本支出。

早在2017年，臺積電就透露計劃為3nm工藝晶片工廠投資200億美元。根據財報數據，臺積電2019年研發投入近30億美元，約佔全年營收的8.5%；其2020年資本開支預計將達到160億-170億美元。

臺積電還在其總部旁邊正建設一個擁有8000名工程師的新研發中心，該項目的第一階段將於2021年完成，計劃研發2nm晶片。

三星則接連公布巨額支出計劃。2019年4月，三星宣布計劃在未來十年向LSI和代工領域投資總計133萬億韓元（約合1160億美元）。同年10月，三星花費25億美元向ASML採購15臺EUV光刻機。2020年1月，三星斥資33.8億美元向光刻機霸主ASML下單20臺EUV光刻機，除了計劃用於7nm、5nm等邏輯晶片外，還計劃用在DRAM內存晶片的生產。

其次，穩步擴建生產線。

臺積電稱其正擴大在首家5nm晶圓廠Fab 18的N5生產。Fab 18於2020年第二季度開始量產N5，旨在每年加工約100萬片12英寸晶圓。

此前在2020年5月，臺積電和三星分別宣布新的5nm晶圓廠建廠計劃。

臺積電在美國亞利桑那州新建的半導體工廠項目，將從5nm技術開始，月產能20000片晶圓，計劃2024年建成投產。

三星將在漢城南部的平澤市建造全新的5nm晶圓廠，預計在2021年下半年投產，產品主要用於5G網絡和高性能計算。

最重要的，搶佔5nm市場，超越3nm研發。

今年下半年，採用臺積電5nm技術的華為麒麟1020處理器和蘋果A14處理器將進入市場。Ampere Computing亦基於N5工藝製造其下一代伺服器晶片。其他被報導向臺積電5nm下訂單的還有高通、AMD、聯發科、恩智浦等晶片巨頭。

2020年7月底，三星電子稱，因客戶庫存準備增長，其晶片代工業務取得了創紀錄的季度和半年度營收，還透露已開始大規模量產5nm晶片，並且正在研發4nm工藝。按三星原定規劃，它將從2020年8月開始大規模生產三星5nm Exynos晶片。目前宣布採用三星5nm工藝製程有高通、谷歌等。但近日有報導稱，三星在5nm EUV工藝良品率方面遇到問題。

而在更先進的3nm工藝上，三星率先採用了突破性的GAA環繞柵極電晶體技術，以製造出密度更高的晶片。

臺積電3nm則繼續沿用FinFET電晶體架構，到第二代3nm或2nm才會升級到GAA技術。

在今天的臺積電技術研討會上，臺積電分享了一些可以超越3nm的行業進展，如nanosheet、nanowire等技術，以及高遷移率通道、2D電晶體和碳納米管等新材料，不過它並未提供關於將採用何種技術的細節。

臺積電已深耕nanosheet技術超過15年，並已證明其可以生產在0.46V下工作的32Mb納米片SRAM器件。臺積電還確定了幾種適用於2D的非矽材料，它們可以將溝道厚度控制在1nm以下。另外臺積電也在研究碳納米管這種新型底材。

與此同時，無論是臺積電還是三星，都在加快研發更先進的封裝技術。

四、結語：更先進的工藝競爭，不確定的未來

7nm、5nm、3nm、2nm……隨著先進位程節點逐漸趨於零值，新的問題正擺在先進晶片製造商們面前。

一方面，一些業內人士開始探討，是不是有更加科學合理的命名法，來取代現有晶片製程命名邏輯。

另一方面，並非所有晶片都需要追求最先進的製程工藝。晶片縮放固然有助於提高性能，但隨著晶片製造工藝不斷逼近物理極限，成本越來越高，增益卻在減少，綜合性價比未必會有競爭力。

當然無論前路存在多少不確定性，先進位程仍將是臺積電、三星與英特爾這三大巨頭角逐最先進技術的戰場，或許，未來的入局者還會有中芯國際。