即便沒有在2022年如期推出3nm量產，也是十分正常的事情。
在突破先進位程的道路上，身為晶片代工龍頭的臺積電從來不會吝惜在資金上的投入。
據臺媒報導，臺積電在2020年資本開支170億美元，創下了歷史新高，這其中絕大部分用於5nm的技術突破。
隨著3nm風險試產在即，臺積電在新一年的開支也將破新高。
但根據Digitimes的最新報導，臺積電在3nm製程工藝的研發上遇到了關鍵技術的瓶頸，研發也不得不推遲。
推遲的3nm
早在去年4月，受到疫情的影響，EUV光刻機等關鍵設備在物流上受到延誤，這也導致臺積電在設備安裝上遲遲無法按期完成，原計劃在6月份風險試產的3nm FinFET工藝，延期到10月份。
相應的，臺積電南科18廠原定於10月份安裝設備的3nm生產線也被順延一個季度，直到11月24日才正式開工，而量產則被延期到2022年。
目前尚不清楚臺積電在3nm工藝研發過程中遇到的關鍵瓶頸具體指什麼，但如果想順利在2022年完成量產，臺積電必須在技術上有所突破。
此前，臺積電CEO魏哲家在財報分析師電話會議上曾透露，他們的3nm工藝仍將採用成熟的鰭式場效應電晶體技術（FinFET）。而作為競爭對手的三星在3nm工藝上將採用環繞柵極電晶體（GAAFET）技術。
儘管相比於N5（5nm），臺積電N3的密度提高了50％，但工藝上依舊是FinFET，換句話說，這次的臺積電太過於「保守」了。
這背後，是臺積電意圖兼顧成本與效能。畢竟從三星宣布的相關信息來看，3nm GAA技術的成本可能會超過5億美元，且其製造工藝與傳統的FinFET有一定的相似之處，但在技術要求和難度上更上一層臺階。
就FinFET技術本身，隨著電晶體尺度向3nm 邁進，其尺寸已經去向縮小至極限。此時，無論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限也使得電晶體製造變得岌岌可危，甚至物理結構都無法完成。
可以推測的是，臺積電已經找到了可行的改進方案，只是目前遇上了瓶頸。
5nm工藝「翻車」？
有人說，手機SoC前幾年井噴式的發展，主要是受益於晶片工藝以及散熱技術的進步。伴隨著技術和材料上的限制，手機SoC的瓶頸已經在5nm工藝上得到了體現。
隨著小米11的正式發布，短短幾個月裡，蘋果、華為、三星還有高通都相繼發布了各自的5nm晶片。
但從各家媒體的評測來看，這幾家公司的晶片都或多或少出現翻車的情況，實際性能提升並沒有宣傳中那麼優秀。
以驍龍888為例，這款晶片採用三星5nm LPE製程工藝，在這款晶片發布之前，蘋果A14和麒麟9000晶片都採用了臺積電代工的5nm製程工藝。
愛否科技的評測顯示，在3DMark壓力測試中，首發搭載驍龍888的小米11一直提醒溫度過高，導致測試無法進行。並且，在經過連續幾次的測試後，機身表面溫度達到了51度，而穩定性只有91％。這一問題在多家測評中均有出現。
針對小米11的翻車，有人把原因歸結於測試機相對較老的固件以及Arm和高通的設計問題，但事實上除了三星代工的驍龍888以外，由臺積電代工的5nm晶片同樣表現不理想。
比如相比A13，A14的性能提升並不明顯，而華為的麒麟9000晶片，功耗控制較之官方數據也存在較大差異。
單從測試結果來看，今年的5nm製程工藝，不管是臺積電還是三星，實際表現都沒能達到官方所宣傳的效果。
仔細來看，臺積電每隔兩年就將密度提升1．8倍的速度相當激進，遠高於業界水平，而三星同樣在追趕臺積電的道路上加快了腳步。
所以目前的臺積電在3nm上依然十分激進，並且沒有前人的經驗，即便沒有在022年如期推出3nm量產，也是十分正常的事情。
缺電，臺積電最大的隱患
在解決完工藝上的問題後，「缺電」就成了臺積電3nm道路上的最大威脅。
作為用電大戶，臺積電前幾年的用電量就佔據了全臺灣用電量的5％以上。
根據臺積電企業社會責任報告書，2016年臺積電用電量就已高達88．53億度，較2015年增加了11％。當時臺積電僅在竹科的Fab耗電功率已經超過72萬千瓦。到了2019年，臺積電的耗電量猛增到143．3億度。
在過去五年臺灣增長的用電量中，有三分之一都被臺積電佔用，而這只是臺灣地區龐大半導體企業中的一員。
按照原計劃的3nm量產時間，2022年到2023年應備總供電容量增加近100萬千瓦，2024年到2025年進一步大增257．6萬千瓦，而這恰好與臺積電3nm以及2nm量產時間相符合。
按照臺積電的估算，臺灣地區的備用電量遠遠無法滿足臺積電的需求。
臺積電造的每一顆晶片需要經過近3000道工序才能完工，而這其中需要利用大量的半導體設備，並一直維持恆溫、高壓等各種複雜環境，這一切都需要電，晶片越多、製程越先進，用的電就越多。
由於7nm以下的先進工藝製程必須要使用EUV光刻機，而一臺EUV光刻機，一天耗電3萬度。SK海力士此前就曾表示，「EUV的能源轉換效率（wall plug efficiency）只有0．02％左右。」極紫外光本身的損耗過大，這也是造成轉換率低的一大原因。
數據顯示，EUV機臺用電量佔臺積電公司能源使用50％以上，如果EUV機臺數量逐年增加，那麼臺積電對於電能的消耗也將進一步快速增長。
早在2015年的時候，張忠謀就指出，困擾臺積電發展的唯一要素就是缺電、停電，這一影響對於現階段的臺積電已經是不可估量的。如果後期的3nm、2nm工廠也出現停電情況，損失方面將會是5nm生產線的幾倍。
結語
在目前的情況之下，無論是GAA還是FinFET，都存在技術上的瓶頸。除了臺積電的3nm受限以外，無獨有偶，三星的3nm似乎也不順利，其晶圓工廠已經將進度調後。
圖 ｜ 三星公布的5nm成本
不過，業內人士對於「臺積電2022年開始量產3nm工藝」還是充滿信心。而要實現這一目標，除了解決技術上的難題以外，臺積電還要從節省能源上下足功夫。
作者：家衡