我们离3nm还有多远?　从三星3nm流片成功谈起

不久前三星先于台积电实现3nm成功流片（试生产），甚至进一步透露消息，预计在2022年年终便可能实现3nm的量产，这无疑引起了整个半导体行业的关注。3nm对整个行业而言，是一个极为敏感的技术节点，一方面，这一技术制程已经非常接近硅基芯片的极限，另—方面，当前各大厂商均将这一制程作为树立技术优势的关键点。所以三星流片成功之时，迫不及待地宣布自家3nm制程的GAA架构性能优于台积电的3nmFinFET架构。

其实我们都知道，流片时性能参数呈现出的优势并不稳固，还需要看量产时的良品率等重要因素，事实上，对三星而言，3nm量产也是前所未有的挑战，即使公布了2030年171亿韩元的投资计划，如果在3nm上跌了跟头，将会对韩国整个半导体行业产生巨大的影响。所以，我们不妨借3星流片话题卿卯当前3nm的进程，借他山之石，攻己之玉。

从4nm到3nm

在科技战、疫情时代引发的“全球缺芯”大背景下，芯片领域博弈始终保持着极高的热度。无论是产能的消长，还是先进制程的优势争夺，都将对整个半导体产业的发展带来深远的影响。以制程而论，如今已是5nm占据主流的时代，那么接下来的“百尺竿头更进一步”—4nm制程甚至3nm制程，谁能首先占据技术制高点，谁就能在下一轮竞争当中拔得头筹。

因为这一内在原因，该领域的几个大佬一直处于钩心斗角争抢C位的状态之中。今年3月的IEEE 国际固态电路会议（ISSCC）上，三星发布了首款3nm芯片，不但时间上拔得头筹，技术上也采用了比竞争对手台积电FinFET（鳍式场效应架构）更为先进、能效更占优势的GAAFET（全栅场效应晶体管架构）。一时间，三星在3nm赛道上简直带上了“弯道超车”的光环。

然而一骑当千的美好画面也没能持续多久，美国老牌半导体巨头IBM突然抛出了一颗2nm芯片，其架构正好也是GAAFET，稳稳压住三星一头。差不多同时，台积电也在忙着发重磅消息，表示自家有麻省理工和台大的科研力量加持，已经在1nm以下制程领域取得了“重大突破”。

这样一看，在4nm到3nm这个全新的制程领域，几大巨头个个成就斐然，芯片技术的又一轮飞跃式进化仿佛分分钟就要到来。

然而仔细看看却又不尽然：虽然IBM的2nm芯片能效表现优秀，官方却跟着声明了“这是个样品”的事实，量产？那是另一回事。我IBM以前可是不做芯片，上一波7nm芯片还是交给三星去做的。至于台积电的“重大突破”，更是還停留在“发现半金属铋（Bi）有助于实现1nm以下制程”的阶段，说穿了，还没出实验室呢！

由此看来，真正值得注意的反而是6月底三星3nm成功流片的消息，毕竟流片这一节点更具标志性，三星连“明年量产”这个时间点都明确提出来了。而IBM和台积电之所以也透露了自家进展，更多是为了展现一波技术实力和战略布局而已。

芯片制程的决战必须是3nm

在近几轮芯片工艺制程的排名争夺中，三星虽然远远谈不上掉队，但对上台积电仍旧胜少负多。而众所周知，越是科技含量高的领域，第一名和第二名之间的鸿沟往往越是悬殊。有人认为这是因为三星战线铺得太广，反而不及台积电专注芯片代工一个领域的缘故。

但不管怎么说，三星电子在2019年就提出了“半导体愿景2030”，副会长李在镕放出豪言“继存储器之后，包括代工在内的系统半导体领域也瞄准世界首位”，这假想敌的箭头早就明晃晃地对准了台积电。随后又宣布要芯片上砸下千亿美元级的投资，孤注一掷、抢先在3nm节点直接上车GAAFET架构，同样也是这一愿景下的产物。

GAAFET首先被提出来是1988年的事了，但真正获得广泛重视，则是在芯片制程进展到4nm、3nm阶段之后。由于FinFET本身的原因，这一架构将在3nm节点接近其实际极限;如果想要再往上攀登，向FinFET的“进化版”GAAFET迁移将是必须迈出的一步。

于是就至少有两条路摆在生产者面前了—要么求稳，要么搏一搏。台积电的操作是通过缩小5nm FinFET的尺寸达成3nm，尽可能实现平稳过渡;而三星则选择直接跳级、在3nm节点直接攻关GAAFET。按照“船小好调头”的古话来看，这其实也是符合二者各自处境的选择。

当前常见的GAAFET可分为两类，其一使用纳米线作为电子晶体管鳍片，其二则是以纳米片形式出现的较厚鳍片的多桥通道场效应电子晶体管（MBCFET）。两者的区别很大程度上取决于设计，三星的3nm芯片便使用了后者。

法国著名研发机构CEA-Leti的高级集成工程师Sylvain Barraud这样描述GAAFET的优势——“（GAAFET）宽范围的可变纳米片宽度提供了更大的设计灵活性，而对FinFET来说，鳍片数量不连续决定了设计受到某些限制”“GAAFET具备更好的栅极控制能力”。

总之，作为FinFE T架构的优化进阶产物，GAAFET摆脱了前者固有的桎梏，使得对核心晶体管的改造和重新设计成为可能，从而能够使芯片体积更小、效率更高、能耗更低。

得益于集成电路设计自动化软件龙头新思（Synopsys）的加持，三星于3nm赛道上稳步前进。在它的首款3nm芯片发布时（这是一款储存类芯片），其容量256Mb，面积为56mm2，写入电压更是低至0.23V。三星认为，这正是MBCFET能够有效降低功耗的最佳证明。

此外，发布首款3nm芯片后三个月，三星宣布成功流片，这一波拿出来的芯片已经是更为复杂的非储存类芯片了。看来，三星正在按自己的步调稳步推进之中。

至于台积电，虽然在3nm这个节点似乎选择了较为保守的“稳一稳”，但并不表示它会就此放弃芯片制程的竞争。除了那个听上去特别高大上但却挺“飘忽”的“1nm研究成果”之外，在3nm、2nm节点台积电同样早有布局——FinFET架构的3nm芯片计划于今年第四季度试产，到2022年第三季度量产，而GAAFET架构的2nm芯片则将在2024年推出。

台积电创始人张忠谋曾经说过：“三星就是台积电的劲敌。”以实际操作来验证的话，这句话应该是认真的。

除了这两家之外，IBM那颗2nm芯片也绝非全无威胁。IBM虽然一贯不造芯片，但能够研发出来本身就是其深厚技术积淀的证明之一;更何况此前三星开发3nm芯片时的某项关键技术，就来自与IBM的合作。

最终，IBM的GAAFET架构2nm芯片花落英特尔，目前计划在2024年正式推出。技术层面上，英特尔虽然仍被挡在7nm门外，但身为巨头必定有自己的优势。在美国内部“产业空心化”呼声正劲的当口，英特尔明确表示，美国应当重新评估供应链，发展芯片制造业。言下之意就是芯片制造是重要性极高的产业，不宜过于依赖亚洲的三星或是台积电。

“自说自话”的节点命名

当然，还存在不可忽视的另一要点：自从2015年ITRS（国际半导体技术路线图）事实上停摆以来，各个供应商对于节点的定义就开始自说自话了。直白点说，这一家的3nm和另一家的3nm，它还不一定就是同样的东西。常见例子比如“英特尔语境下的10nm，其实大致相当于台积电和三星的7nm”。

这种操作为营销预留了巨大的操作空间，但对于指望通过参数来对比性能的想法，这就相当地不友好了。此前也有不少实例证明，纸面参数高的东西不见得性能就好。例如定位旗舰级SoC、制程5nm、集成5G调制解调器的高通骁龙888，至今江湖上还流传着“火龙”的别名。

3nm时代对代工的影响

三星抢在第一个发布了流片消息，在3nm赛道上无疑占据了先手;但如果将台积电的计划表拿来一一对比，也不难发现存在令人疑问的部分。三星宣布了自家3nm芯片的架构和参数，也表明了量產时间点，但是却唯独没有提到新产品有哪些客户。

这当然有可能是三星刻意保密，或者因为客户列表仍然不够占据压倒性优势而选择闭口不谈。但是我们只要看看台积电的宣传，不难发现它在这一块的宣扬简直堪称浓墨重彩—苹果、AMD、NVIDIA、联发科、赛灵思、博通、高通等等都是它家3nm的预期用户，就连正在紧锣密鼓谋划2nm的英特尔也赫然在这个列表之中。

这就是台积电身为“全球最大芯片代工厂”的底气所在，一门心思做代工、长久领先的技术力，保证了台积电手握足量而稳定的客户需求。哪怕3nm暂时不上GAAFET而继续使用FinFET，凭借“与5nm芯片相比密度提升70%，性能增长11%，或功耗降低27%”的性能预期，也依然有苹果、英特尔这样的巨头包揽产能。

据透露，计划明年发布的新款iPad将是苹果旗下第一款采用3nm芯片的产品，而明年的iPhone则由于时间、调度等因素使用4nm芯片。按照这个规划，台积电明年的3nm产能几乎全部用在向苹果供货上，按部就班的安排甚至还能顾及一下苹果“先iPad后iPhone”的玩法。

虽然英特尔对芯片的需求量比苹果更高，但它的出货计划怕不是得排到2023年去了。这样一看英特尔的立场就很微妙了，谈2nm，它和台积电是对手;然而讲到3nm，却又要找台积电下订单。这亦敌亦友的关系会不会带来自相抵牾的风险？目前谁也不敢下定论。

至少从3nm芯片的局面来看，双方合作还是能各取所需的—英特尔得到需要的芯片供应，而台积电则由此获得更加稳定健康的需求方构成，避免在苹果一棵树上吊死的风险。这就是“产能”蕴含的巨大力量—足以保证产线满载、营收良好，进而推进技术升级加速进行。

在近两年全球“缺芯”的恐慌感推动下，芯片产能更是成了各方争夺的对象—继台积电、三星、英特尔相继在美国建厂之后，德国也对台积电发出了邀请。这也是贸易战引发的后遗症之一，大家纷纷开始反思全球化的短板，既然半导体产业的基石在芯片、芯片又以制造为关键，那么芯片制造当然要放在自己的势力范围之内，才能避免遭人掣肘的风险。

写在最后：

芯片制造这三家大佬固然在争夺市场，消耗芯片的厂家们也同样在争夺产能。需求与市场永远是促成技术升级最强有力的推手。对于三星这样的“挑战者”而言，3nm蕴含的机遇就在这一两年内就会到来，但与此同时，它也仍然不得不直面台积电多年积累形成的强大势能。