臺(tái)積電發(fā)誓要在 2022 年下半年啟動(dòng)其 3 納米工藝節(jié)點(diǎn)，但于 12 月 29 日在其位于臺(tái)灣南部科學(xué)園區(qū) (STSP) 的擴(kuò)建制造工廠為這個(gè)尖端制造節(jié)點(diǎn)剪彩，勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。在三星開始生產(chǎn)基于全能柵極 (GAA) 技術(shù)的 3 納米芯片近六個(gè)月后，臺(tái)積電基于久經(jīng)考驗(yàn)的 FinFET 晶體管架構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了從 5 納米到 3 納米芯片制造工藝的全節(jié)點(diǎn)推進(jìn)。

　　據(jù)媒體報(bào)道，蘋果已經(jīng)獲得了臺(tái)積電第一代3納米工藝N3的100%初始供應(yīng)，從基線開始。早期的報(bào)告顯示，N3工藝的良率可能高達(dá)80%。接下來，臺(tái)積電計(jì)劃在 2023 年下半年轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的 3 納米版本 N3E。那時(shí)，其他臺(tái)積電客戶——AMD、英特爾和高通——計(jì)劃在他們的芯片上采用3納米工藝。

　　N3采用超復(fù)雜工藝，采用24層多圖案極紫外(EUV)光刻技術(shù)，密度更大，因此邏輯密度更高。另一方面，N3E使用更簡單的19層單圖案技術(shù)，更容易生產(chǎn)，成本更低。與基線 N3 過程相比，它還將使用更少的功率和更高的時(shí)鐘。

　　臺(tái)積電首席執(zhí)行官C. C. Wei預(yù)計(jì)，3納米制造工藝在批量生產(chǎn)后的五年內(nèi)價(jià)值將超過1.5萬億美元。然而，就目前而言，N3晶圓的成本約為20，000美元，而臺(tái)積電的5納米節(jié)點(diǎn)N5的成本為16，000美元。這就是為什么除了蘋果之外的芯片開發(fā)商在等待更經(jīng)濟(jì)的N3E工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)袖手旁觀的部分原因。

　　圖1 臺(tái)積電的第一個(gè)3納米節(jié)點(diǎn)，稱為N3，聲稱與該公司的5納米節(jié)點(diǎn)相比，在相同功率下性能提高15%，在相同速度下效率提高30%。源： 臺(tái)積電

　　與臺(tái)積電于 2020 年推出的 5 納米節(jié)點(diǎn)相比，這家大型晶圓廠聲稱其 N3 工藝的邏輯密度提高了 60% 至 70%，性能提高了 15%，同時(shí)功耗降低了 30% 至 35%。在這里，需要注意的是，臺(tái)積電的N5增強(qiáng)版，蘋果稱之為4納米，本質(zhì)上生產(chǎn)5納米芯片。從這種增強(qiáng)的5納米工藝轉(zhuǎn)向新的3納米工藝也將帶來巨大的好處，包括更低的功耗和更高的密度，在同一區(qū)域內(nèi)增加60%或更多的芯片邏輯和緩存。

　　3 nm 位于 智能手機(jī)大戰(zhàn)

　　臺(tái)積電的3納米技術(shù)可能會(huì)用于蘋果的A17片上系統(tǒng)(SoC)，預(yù)計(jì)將為今年晚些時(shí)候推出的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max型號(hào)提供動(dòng)力。在這里，3納米技術(shù)有望比用于為iPhone 14 Pro和Pro Max制造A16 SoC的4納米技術(shù)提高35%。

　　據(jù)媒體報(bào)道，蘋果還可能圍繞臺(tái)積電的3納米技術(shù)為MacBook Air構(gòu)建其M3芯片，該技術(shù)將于2023年晚些時(shí)候推出。同樣，對(duì)于將于2024年推出的MacBook Pro，M3 Pro和M3 Max芯片也有望利用3納米制造工藝節(jié)點(diǎn)。

　　據(jù)報(bào)道，臺(tái)積電最大的客戶蘋果公司占其收入的25%，已經(jīng)預(yù)訂了整個(gè)N3供應(yīng)。另一方面，蘋果在智能手機(jī)處理器前沿的主要競爭對(duì)手高通和聯(lián)發(fā)科已決定等待臺(tái)積電的第二代3納米技術(shù)N3E，該技術(shù)將于今年晚些時(shí)候上市。在這里，值得注意的是，雖然蘋果定制設(shè)計(jì)的SoC被整合到自己的最終產(chǎn)品中，但高通和聯(lián)發(fā)科等公司必須僅靠芯片獲利。

　　這可能就是為什么像高通和聯(lián)發(fā)科這樣的智能手機(jī)處理器供應(yīng)商正在等待今年晚些時(shí)候推出更經(jīng)濟(jì)的N3E節(jié)點(diǎn)的原因。這將不可避免地將采用3納米節(jié)點(diǎn)芯片的Android手機(jī)推向2024年及以后，進(jìn)一步擴(kuò)大蘋果在智能手機(jī)市場的領(lǐng)先地位。關(guān)于三星 Exynos 2300 芯片的報(bào)道相互矛盾，該芯片可能使用三星的 3 納米工藝;人們普遍預(yù)計(jì)它不會(huì)出現(xiàn)在S23或其他高端Galaxy手機(jī)中。

　　圖2 N3E工藝節(jié)點(diǎn)預(yù)計(jì)將于2023年下半年開始商業(yè)化生產(chǎn)。來源：臺(tái)積電

　　N3E工藝節(jié)點(diǎn)也在AMD和Nvidia等GPU供應(yīng)商的雷達(dá)上，用于PC游戲等應(yīng)用。

　　養(yǎng)育亞利桑那州

　　從技術(shù)角度來看，臺(tái)積電在這個(gè)新興的3納米工藝上進(jìn)展順利，到目前為止，N3節(jié)點(diǎn)的斜坡一直很順利。臺(tái)積電高管稱N3為重磅節(jié)點(diǎn)。該公司首席執(zhí)行官Wei還預(yù)計(jì)3納米工藝將比其前身5納米節(jié)點(diǎn)更有利可圖。然而，3納米節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)恰逢臺(tái)積電在新地區(qū)的擴(kuò)張以及國際貿(mào)易限制和制裁下的供應(yīng)鏈困境。

　　臺(tái)積電創(chuàng)始人莫里斯·張(Morris Chang)抓住了公司新晶圓廠訂單背后的緊張關(guān)系，他宣稱全球化“幾乎已經(jīng)死了”。該公司首席執(zhí)行官魏還抱怨地緣政治沖突，據(jù)他說，這創(chuàng)造了臺(tái)積電無法再在全球銷售硅片的環(huán)境。

　　數(shù)字 3 TSMS還在亞利桑那州的晶圓廠建立3納米制造能力。來源：臺(tái)積電

　　臺(tái)積電在亞利桑那州宣布的新晶圓廠于2020年宣布，將于2024年開始生產(chǎn)4納米芯片。隨后將建設(shè)第二家晶圓廠，該晶圓廠將于2026年開始生產(chǎn)3納米芯片。這意味著美國將在臺(tái)灣之后近三年掌握3納米制造工藝節(jié)點(diǎn)。

　　同樣，美國將在臺(tái)積電的4納米制造技術(shù)在臺(tái)灣上市兩年后獲得該技術(shù)。值得一提的是，臺(tái)積電雖然正在擴(kuò)大其在美國及其他地區(qū)的制造設(shè)施，但它致力于在其臺(tái)灣晶圓廠保持最好的芯片制造技術(shù)。

　　萬億美元的業(yè)務(wù)

　　臺(tái)積電計(jì)劃今年在資本支出上花費(fèi)320億至360億美元，以滿足對(duì)合同芯片制造不斷增長的需求。該預(yù)算的 70% 將用于高級(jí)節(jié)點(diǎn)：7 nm 或更小。在這里，雖然臺(tái)積電圍繞新的GAA技術(shù)構(gòu)建的2納米節(jié)點(diǎn)很可能在2025年左右亮相，但在可預(yù)見的未來，3納米工藝看起來像是其主要的高級(jí)節(jié)點(diǎn)。

　　一個(gè) 數(shù)碼時(shí)代 報(bào)告稱，臺(tái)積電已逐步擴(kuò)大3納米工藝產(chǎn)能，月產(chǎn)量將在2023年3月達(dá)到45，000片晶圓。據(jù)臺(tái)積電董事長Mark Liu稱，3納米節(jié)點(diǎn)的良率與制造周期同一點(diǎn)的上一代相當(dāng)。

　　再加上蘋果成為第一家采用這種尖端工藝節(jié)點(diǎn)的芯片開發(fā)商，這表明臺(tái)積電的3納米工藝技術(shù)正在走上正軌。盡管這家半導(dǎo)體巨頭的基準(zhǔn)N3節(jié)點(diǎn)收入為個(gè)位數(shù)百分比，蘋果是唯一的消費(fèi)者，但仍達(dá)數(shù)十億美元。一旦N3的增強(qiáng)版N3E在今年晚些時(shí)候加入，其他針對(duì)高性能計(jì)算(HPC)和智能手機(jī)應(yīng)用的大型芯片開發(fā)商加入3納米的競爭，一旦所有的錢在幾年內(nèi)計(jì)算完畢，它可能會(huì)成為一個(gè)萬億美元的業(yè)務(wù)。