不久前三星先于臺積電實(shí)現(xiàn)3nm成功流片（試生產(chǎn)），甚至進(jìn)一步透露消息，預(yù)計(jì)在2022年年終便可能實(shí)現(xiàn)3nm的量產(chǎn)，這無疑引起了整個半導(dǎo)體行業(yè)的關(guān)注。3nm對整個行業(yè)而言，是一個極為敏感的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，一方面，這一技術(shù)制程已經(jīng)非常接近硅基芯片的極限，另—方面，當(dāng)前各大廠商均將這一制程作為樹立技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵點(diǎn)。所以三星流片成功之時，迫不及待地宣布自家3nm制程的GAA架構(gòu)性能優(yōu)于臺積電的3nmFinFET架構(gòu)。

其實(shí)我們都知道，流片時性能參數(shù)呈現(xiàn)出的優(yōu)勢并不穩(wěn)固，還需要看量產(chǎn)時的良品率等重要因素，事實(shí)上，對三星而言，3nm量產(chǎn)也是前所未有的挑戰(zhàn)，即使公布了2030年171億韓元的投資計(jì)劃，如果在3nm上跌了跟頭，將會對韓國整個半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。所以，我們不妨借3星流片話題卿卯當(dāng)前3nm的進(jìn)程，借他山之石，攻己之玉。

從4nm到3nm

在科技戰(zhàn)、疫情時代引發(fā)的“全球缺芯”大背景下，芯片領(lǐng)域博弈始終保持著極高的熱度。無論是產(chǎn)能的消長，還是先進(jìn)制程的優(yōu)勢爭奪，都將對整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。以制程而論，如今已是5nm占據(jù)主流的時代，那么接下來的“百尺竿頭更進(jìn)一步”—4nm制程甚至3nm制程，誰能首先占據(jù)技術(shù)制高點(diǎn)，誰就能在下一輪競爭當(dāng)中拔得頭籌。

因?yàn)檫@一內(nèi)在原因，該領(lǐng)域的幾個大佬一直處于鉤心斗角爭搶C位的狀態(tài)之中。今年3月的IEEE 國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上，三星發(fā)布了首款3nm芯片，不但時間上拔得頭籌，技術(shù)上也采用了比競爭對手臺積電FinFET（鰭式場效應(yīng)架構(gòu)）更為先進(jìn)、能效更占優(yōu)勢的GAAFET（全柵場效應(yīng)晶體管架構(gòu)）。一時間，三星在3nm賽道上簡直帶上了“彎道超車”的光環(huán)。

然而一騎當(dāng)千的美好畫面也沒能持續(xù)多久，美國老牌半導(dǎo)體巨頭IBM突然拋出了一顆2nm芯片，其架構(gòu)正好也是GAAFET，穩(wěn)穩(wěn)壓住三星一頭。差不多同時，臺積電也在忙著發(fā)重磅消息，表示自家有麻省理工和臺大的科研力量加持，已經(jīng)在1nm以下制程領(lǐng)域取得了“重大突破”。

這樣一看，在4nm到3nm這個全新的制程領(lǐng)域，幾大巨頭個個成就斐然，芯片技術(shù)的又一輪飛躍式進(jìn)化仿佛分分鐘就要到來。

然而仔細(xì)看看卻又不盡然：雖然IBM的2nm芯片能效表現(xiàn)優(yōu)秀，官方卻跟著聲明了“這是個樣品”的事實(shí)，量產(chǎn)？那是另一回事。我IBM以前可是不做芯片，上一波7nm芯片還是交給三星去做的。至于臺積電的“重大突破”，更是還停留在“發(fā)現(xiàn)半金屬鉍（Bi）有助于實(shí)現(xiàn)1nm以下制程”的階段，說穿了，還沒出實(shí)驗(yàn)室呢！

由此看來，真正值得注意的反而是6月底三星3nm成功流片的消息，畢竟流片這一節(jié)點(diǎn)更具標(biāo)志性，三星連“明年量產(chǎn)”這個時間點(diǎn)都明確提出來了。而IBM和臺積電之所以也透露了自家進(jìn)展，更多是為了展現(xiàn)一波技術(shù)實(shí)力和戰(zhàn)略布局而已。

芯片制程的決戰(zhàn)必須是3nm

在近幾輪芯片工藝制程的排名爭奪中，三星雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上掉隊(duì)，但對上臺積電仍舊勝少負(fù)多。而眾所周知，越是科技含量高的領(lǐng)域，第一名和第二名之間的鴻溝往往越是懸殊。有人認(rèn)為這是因?yàn)槿菓?zhàn)線鋪得太廣，反而不及臺積電專注芯片代工一個領(lǐng)域的緣故。

但不管怎么說，三星電子在2019年就提出了“半導(dǎo)體愿景2030”，副會長李在镕放出豪言“繼存儲器之后，包括代工在內(nèi)的系統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域也瞄準(zhǔn)世界首位”，這假想敵的箭頭早就明晃晃地對準(zhǔn)了臺積電。隨后又宣布要芯片上砸下千億美元級的投資，孤注一擲、搶先在3nm節(jié)點(diǎn)直接上車GAAFET架構(gòu)，同樣也是這一愿景下的產(chǎn)物。

GAAFET首先被提出來是1988年的事了，但真正獲得廣泛重視，則是在芯片制程進(jìn)展到4nm、3nm階段之后。由于FinFET本身的原因，這一架構(gòu)將在3nm節(jié)點(diǎn)接近其實(shí)際極限;如果想要再往上攀登，向FinFET的“進(jìn)化版”GAAFET遷移將是必須邁出的一步。

于是就至少有兩條路擺在生產(chǎn)者面前了—要么求穩(wěn)，要么搏一搏。臺積電的操作是通過縮小5nm FinFET的尺寸達(dá)成3nm，盡可能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡;而三星則選擇直接跳級、在3nm節(jié)點(diǎn)直接攻關(guān)GAAFET。按照“船小好調(diào)頭”的古話來看，這其實(shí)也是符合二者各自處境的選擇。

當(dāng)前常見的GAAFET可分為兩類，其一使用納米線作為電子晶體管鰭片，其二則是以納米片形式出現(xiàn)的較厚鰭片的多橋通道場效應(yīng)電子晶體管（MBCFET）。兩者的區(qū)別很大程度上取決于設(shè)計(jì)，三星的3nm芯片便使用了后者。

法國著名研發(fā)機(jī)構(gòu)CEA-Leti的高級集成工程師Sylvain Barraud這樣描述GAAFET的優(yōu)勢——“（GAAFET）寬范圍的可變納米片寬度提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性，而對FinFET來說，鰭片數(shù)量不連續(xù)決定了設(shè)計(jì)受到某些限制”“GAAFET具備更好的柵極控制能力”。

總之，作為FinFE T架構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)階產(chǎn)物，GAAFET擺脫了前者固有的桎梏，使得對核心晶體管的改造和重新設(shè)計(jì)成為可能，從而能夠使芯片體積更小、效率更高、能耗更低。

得益于集成電路設(shè)計(jì)自動化軟件龍頭新思（Synopsys）的加持，三星于3nm賽道上穩(wěn)步前進(jìn)。在它的首款3nm芯片發(fā)布時（這是一款儲存類芯片），其容量256Mb，面積為56mm2，寫入電壓更是低至0.23V。三星認(rèn)為，這正是MBCFET能夠有效降低功耗的最佳證明。

此外，發(fā)布首款3nm芯片后三個月，三星宣布成功流片，這一波拿出來的芯片已經(jīng)是更為復(fù)雜的非儲存類芯片了?？磥恚钦诎醋约旱牟秸{(diào)穩(wěn)步推進(jìn)之中。

至于臺積電，雖然在3nm這個節(jié)點(diǎn)似乎選擇了較為保守的“穩(wěn)一穩(wěn)”，但并不表示它會就此放棄芯片制程的競爭。除了那個聽上去特別高大上但卻挺“飄忽”的“1nm研究成果”之外，在3nm、2nm節(jié)點(diǎn)臺積電同樣早有布局——FinFET架構(gòu)的3nm芯片計(jì)劃于今年第四季度試產(chǎn)，到2022年第三季度量產(chǎn)，而GAAFET架構(gòu)的2nm芯片則將在2024年推出。

臺積電創(chuàng)始人張忠謀曾經(jīng)說過：“三星就是臺積電的勁敵?！币詫?shí)際操作來驗(yàn)證的話，這句話應(yīng)該是認(rèn)真的。

除了這兩家之外，IBM那顆2nm芯片也絕非全無威脅。IBM雖然一貫不造芯片，但能夠研發(fā)出來本身就是其深厚技術(shù)積淀的證明之一;更何況此前三星開發(fā)3nm芯片時的某項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，就來自與IBM的合作。

最終，IBM的GAAFET架構(gòu)2nm芯片花落英特爾，目前計(jì)劃在2024年正式推出。技術(shù)層面上，英特爾雖然仍被擋在7nm門外，但身為巨頭必定有自己的優(yōu)勢。在美國內(nèi)部“產(chǎn)業(yè)空心化”呼聲正勁的當(dāng)口，英特爾明確表示，美國應(yīng)當(dāng)重新評估供應(yīng)鏈，發(fā)展芯片制造業(yè)。言下之意就是芯片制造是重要性極高的產(chǎn)業(yè)，不宜過于依賴亞洲的三星或是臺積電。

“自說自話”的節(jié)點(diǎn)命名

當(dāng)然，還存在不可忽視的另一要點(diǎn)：自從2015年ITRS（國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖）事實(shí)上停擺以來，各個供應(yīng)商對于節(jié)點(diǎn)的定義就開始自說自話了。直白點(diǎn)說，這一家的3nm和另一家的3nm，它還不一定就是同樣的東西。常見例子比如“英特爾語境下的10nm，其實(shí)大致相當(dāng)于臺積電和三星的7nm”。

這種操作為營銷預(yù)留了巨大的操作空間，但對于指望通過參數(shù)來對比性能的想法，這就相當(dāng)?shù)夭挥押昧?。此前也有不少?shí)例證明，紙面參數(shù)高的東西不見得性能就好。例如定位旗艦級SoC、制程5nm、集成5G調(diào)制解調(diào)器的高通驍龍888，至今江湖上還流傳著“火龍”的別名。

3nm時代對代工的影響

三星搶在第一個發(fā)布了流片消息，在3nm賽道上無疑占據(jù)了先手;但如果將臺積電的計(jì)劃表拿來一一對比，也不難發(fā)現(xiàn)存在令人疑問的部分。三星宣布了自家3nm芯片的架構(gòu)和參數(shù)，也表明了量產(chǎn)時間點(diǎn)，但是卻唯獨(dú)沒有提到新產(chǎn)品有哪些客戶。

這當(dāng)然有可能是三星刻意保密，或者因?yàn)榭蛻袅斜砣匀徊粔蛘紦?jù)壓倒性優(yōu)勢而選擇閉口不談。但是我們只要看看臺積電的宣傳，不難發(fā)現(xiàn)它在這一塊的宣揚(yáng)簡直堪稱濃墨重彩—蘋果、AMD、NVIDIA、聯(lián)發(fā)科、賽靈思、博通、高通等等都是它家3nm的預(yù)期用戶，就連正在緊鑼密鼓謀劃2nm的英特爾也赫然在這個列表之中。

這就是臺積電身為“全球最大芯片代工廠”的底氣所在，一門心思做代工、長久領(lǐng)先的技術(shù)力，保證了臺積電手握足量而穩(wěn)定的客戶需求。哪怕3nm暫時不上GAAFET而繼續(xù)使用FinFET，憑借“與5nm芯片相比密度提升70%，性能增長11%，或功耗降低27%”的性能預(yù)期，也依然有蘋果、英特爾這樣的巨頭包攬產(chǎn)能。

據(jù)透露，計(jì)劃明年發(fā)布的新款iPad將是蘋果旗下第一款采用3nm芯片的產(chǎn)品，而明年的iPhone則由于時間、調(diào)度等因素使用4nm芯片。按照這個規(guī)劃，臺積電明年的3nm產(chǎn)能幾乎全部用在向蘋果供貨上，按部就班的安排甚至還能顧及一下蘋果“先iPad后iPhone”的玩法。

雖然英特爾對芯片的需求量比蘋果更高，但它的出貨計(jì)劃怕不是得排到2023年去了。這樣一看英特爾的立場就很微妙了，談2nm，它和臺積電是對手;然而講到3nm，卻又要找臺積電下訂單。這亦敵亦友的關(guān)系會不會帶來自相抵牾的風(fēng)險？目前誰也不敢下定論。

至少從3nm芯片的局面來看，雙方合作還是能各取所需的—英特爾得到需要的芯片供應(yīng)，而臺積電則由此獲得更加穩(wěn)定健康的需求方構(gòu)成，避免在蘋果一棵樹上吊死的風(fēng)險。這就是“產(chǎn)能”蘊(yùn)含的巨大力量—足以保證產(chǎn)線滿載、營收良好，進(jìn)而推進(jìn)技術(shù)升級加速進(jìn)行。

在近兩年全球“缺芯”的恐慌感推動下，芯片產(chǎn)能更是成了各方爭奪的對象—繼臺積電、三星、英特爾相繼在美國建廠之后，德國也對臺積電發(fā)出了邀請。這也是貿(mào)易戰(zhàn)引發(fā)的后遺癥之一，大家紛紛開始反思全球化的短板，既然半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石在芯片、芯片又以制造為關(guān)鍵，那么芯片制造當(dāng)然要放在自己的勢力范圍之內(nèi)，才能避免遭人掣肘的風(fēng)險。

寫在最后：

芯片制造這三家大佬固然在爭奪市場，消耗芯片的廠家們也同樣在爭奪產(chǎn)能。需求與市場永遠(yuǎn)是促成技術(shù)升級最強(qiáng)有力的推手。對于三星這樣的“挑戰(zhàn)者”而言，3nm蘊(yùn)含的機(jī)遇就在這一兩年內(nèi)就會到來，但與此同時，它也仍然不得不直面臺積電多年積累形成的強(qiáng)大勢能。