3nm量产意外延期的背后代工双雄台积电三星在与时间赛跑

　　为争夺晶圆代工头把交椅的竞赛已趋白热化，台积电和三星都不惜撒下重金来获得工艺上的领先。但是，在双方全力争夺的 3nm 工艺节点开发上，近期却相继有开发遇阻的消息传来。在先进工艺已逼近物理极限之时，每进一步都要突破层层阻力。晶圆代工之间的争夺，不单是资金投入的比拼，还是与时间的一场赛跑 。与时间赛跑
　　苹果 iPhone 下一代的处理器无法采用台积电的 3nm（N3）工艺了。这是台积电近期正式确认的消息，N3 工艺的量产将会延迟 3 到 4 个月 。而据相关媒体报道，三星的 3nm 开发也遇到了问题，其 GAA 工艺仍面临着漏电等关键技术问题。
　　按照之前的规划，台积电的 3nm 工艺将在 2022 年第三季度实现量产。3nm 的具体量产时间是与客户共同协商决定的，台积电总裁魏哲家此前这样表示。苹果是台积电 3nm 工艺的首批客户，后有传闻英特尔也成为了尝鲜者，其 GPU 和服务器芯片将采用 3nm 工艺。不过，这一传闻在英特尔架构日上被破除，N5 和 N6 将是台积电为其代工的首要工艺。
　　这一选择不能直接说明 N3 工艺的进展问题，但结合工艺进展延迟的消息，多少还是让人意外的。毕竟在 4 月 15 日的法说会上，台积电还表示 N3 已经提前至 3 月开始风险行试生产，并小量交货，进度优与原先预期。
　　局外人很难知道延迟的真正原因，可以看到的是工艺进展的不易。业界知名专家莫大康就表示：＂从 N5 向 N3 不是单一的光刻尺寸的缩小，涉及器件架构、互连金属等，出现工艺延迟正常，要摸索工艺，需要通过更多的硅片生产来积累经验。＂
　　▲台积电的工艺进展
　　三星方面也面临着类似的问题。早在 2019 年三星就公布了 3nm GAA 工艺的 PDK 物理设计套件标准，预计 3nm GAA 工艺会在 2020 年底试产，2021 年实现量产。目前看来，这一目标是远不能达成了。按照三星在今年 6 月完成 3nm 芯片 Tapeout（流片）的进度来看，2022 年将是其量产的初步时间。
　　▲ 三星的工艺进展
　　不过一些英文媒体不看好三星能在 2023 年之前实现量产，依据就是疫情导致 3nm 工艺所需的极紫外光刻机（EUV）和其他关键生产设备的交付延期，进而推迟了量产的时间。
　　三星当初选择 GAA 工艺，就是因为想通过提前布局，在 3nm 节点实现弯道超车。三星的 3nm GAA 工艺分为 3GAAE / GAAP (3nm Gate- AlI-Around Early/Plus) 两个阶段，被业界认为真正成熟的将是 GAAP 工艺，GAAE 将可能只是用于自己的芯片上。
　　与之相比，台积电继续在 3nm 节点选择 FinFET 工艺，则是考虑到可以继续挖掘现有工艺的优势，在三星之前实现量产。有业内人士就指出，台积电在 GAA 架构的开发上落后三星 12 至 18 个月，因而积极推进的 3nm FinFET 策略可以弥补这一劣势。
　　因此，三星的 3nm 工艺如果不能在 2023 年之前实现量产获得客户订单，那么将在代工领域处于不利地位。同理，台积电如果不能在时间上取得领先，也将面临被动的局面。
　　对于双方来说，都是一场与时间的赛跑。要跨越技术鸿沟
　　3nm 工艺的量产实现就像跨越鸿沟一样。就以光刻为例，晶圆代工厂希望尽可能地实现 EUV 单次曝光，因为这将可以简化工艺。然而，EUV 单次曝光实现的间距极限是 32nm 到 30nm 间，对应着 5nm 左右的工艺节点。要进展到 3nm 工艺，芯片制造商就要寻找新的方案。第一个选择就是 EUV 双曝光，第二选择是开发高数值孔径（NA）EUV 扫描仪，这是一个全新的系统。ASML 的高数值孔径 EUV 系统采用新的 0.55 数值孔径透镜，分辨率提升了 70%，仍在研发阶段。
　　高 NA EUV 系统复杂且昂贵，并且给晶圆厂中引入很多风险。此外，该系统不会为 2022 年的 3nm 初始阶段做好准备。根据最新的消息，这种新光刻机要在 2025-2026 年之间才能规模应用。因此，晶圆代工厂可能别无选择，只能采用 EUV 双曝光的方法。在双曝光方案中，芯片分割在两个掩模上并打印在晶圆上，既增加成本又会影响良率。
　　这还仅是开发 3nm 所面对的共同挑战，考虑到台积电和三星所采取的不同工艺路径，其各自都将面对不同的障碍。
　　台积电要将 FinFET 工艺从 5nm 迁移到 3nm，就在理论上挑战了 FinFET 工艺的极限。在进入 3nm 之后，FinFET 晶体管的鳍片难以在本身材料内部应力的作用下维持直立形态，尤其是在能量更高的 EUV 制程导入之后，这样的状况会更为严重。三星面临的困难也不少，GAA 则是全新的架构，器件参数的不确定性会更大，很多影响将难以预估。
　　技术挑战之外，3nm 工艺还将面对巨大的成本压力。IBS Research 2019 年的一份报告预测，虽然 3nm 芯片的每晶体管成本将降低，但晶圆和芯片模具的总体成本将增加。IBS 在其研究中估计，10 亿个晶体管部分的单个晶体管部分将达到 2.16 美元，低于 5nm 工艺的 2.25 美元。不过，3nm 单片晶圆的成本为 15,500 美元，比 5nm 增加 3,000 美元，模具将比上一代的 23.57 美元高出 30.45 美元。此外，由于 3nm 预计将采用 25 层 EUV 光罩，因为代工价格将可能达到 30,000 美元。考虑到不是每个客户都能承受，因此台积电正评估启动持续改善计划（Coutinuous Improvement Plan），推出改款版 3nm，通过减少 EUV 光罩层数、略增加芯片尺寸，降低成本、提高良率，提供客户兼具性能和成本的解决方案。
　　所以，3nm 的开发也就成了一场金钱投入的竞赛。三星表示，到 2030 年逻辑芯片投入将达 1,077 亿美元。台积电也将资本支出以一调再调，由原来的 250-280 亿美元调整到 300 亿美元，其中 80% 将用于 3nm、5nm 等先进制程。
　　好在凭借多年形成的口碑，台积电的 3nm 没有量产却已经订单排满，苹果、AMD 都先后预约了明后年的产能。按照台积电的说法，HPC 的潜在客户和智能手机领域对 N3 的兴趣都很大。此前的规划中，3nm 正式量产时的初期月产能为 5.5 万片，2023 年月产能可达 10.5 万片。如果这些产能都被预定一空，台积电将在 3nm 代工市场再次拥有领先优势。
　　不过，三星的情况也稍显特殊。与专心做代工业务的台积电不同，三星是一个 IDM 公司，其总产能多为自己使用。2020 年，三星将其晶圆代工厂产的 60％用于内部使用，主要用于智能手机的 Exynos 芯片。其余产能来自非专属客户，高通占 20％，其余 20％来自 Nvidia，IBM 和英特尔。如果 3nm 工艺实现量产，靠其内部还是能消化很大一部分产能的。现在唯一要注意的就是不能再出现失误，拖延量产进度。
　　不过，3nm 工艺进展表面是两强的竞争，实则是整个产业链的跟进。正如莫大康所指出，3nm 是一个焦点，不能仅靠台积电、三星的推进，最终还要看制造商和设备商等产业链各个环节的努力。