晶圓代工3納米制程量產(chǎn)后，大廠訂單爭霸戰(zhàn)持續(xù)白熱化，究竟目前宣布已量產(chǎn)或計(jì)畫量產(chǎn)的三家大廠臺積電、三星、英特爾各有何種技術(shù)進(jìn)展與優(yōu)勢，牽動后續(xù)研發(fā)投資進(jìn)展？


01
臺積電：3納米制程需求非常強(qiáng)勁

臺積電3納米采鰭式場效電晶體（Fin Field-Effect Transistor，F(xiàn)inFET）架構(gòu)去年第4季底如期量產(chǎn)后，后續(xù)3納米陣容將持續(xù)擴(kuò)大。臺積電3納米家族包含N3、N3E、N3P與N3X等，并無外界原本預(yù)測的N3B。

卡在2022年的最后幾天，臺積電兌現(xiàn)了年內(nèi)量產(chǎn)3nm工藝芯片的承諾。12月29日，臺積電在臺南科學(xué)園區(qū)舉辦3nm量產(chǎn)暨擴(kuò)廠典禮，正式宣布啟動3nm大規(guī)模生產(chǎn)。這座總投資高達(dá)6000億新臺幣的超級工廠，在滿產(chǎn)后的月產(chǎn)能將實(shí)現(xiàn)6萬片12英寸晶圓，創(chuàng)下了臺積電單筆投資建廠的紀(jì)錄。

臺積電雖未直接提供3納米良率數(shù)據(jù)，仍是全球首家喊出3納米量產(chǎn)初期良率已和5納米同期相當(dāng)，明顯有別競爭對手閉口不談良率。

臺積電預(yù)定N3E作為3納米家族的延伸，將為智慧手機(jī)和高速運(yùn)算相關(guān)應(yīng)用提供完整的支持平臺。臺積電指出，N3E技術(shù)預(yù)計(jì)2023年下半年量產(chǎn)。

盡管庫存調(diào)整仍在持續(xù)，但公司觀察到N3和N3E皆有許多客戶參與，量產(chǎn)第一年和第二年的產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案數(shù)量將是N5的兩倍以上。

臺積電3納米2022年內(nèi)率先在臺灣南科量產(chǎn)，以南科晶圓十八廠作為3納米主要生產(chǎn)基地，并無外傳于竹科生產(chǎn)3納米的狀況，后續(xù)2納米規(guī)劃在竹科與中科先后量產(chǎn)，規(guī)劃共計(jì)六期工程。另外，臺積電全球研發(fā)中心將于2023年第2季在竹科開幕，將可進(jìn)駐8,000位研發(fā)人員。

臺積電3納米在臺灣量產(chǎn)成熟后，也將導(dǎo)入美國新廠。臺積電指出，該公司除了在臺灣持續(xù)擴(kuò)建3納米產(chǎn)能，在美國的第二期建廠亦同步展開，預(yù)計(jì)亞利桑那州晶圓廠2026年開始生產(chǎn)3納米制程技術(shù)。

臺積電預(yù)估，3納米制程技術(shù)量產(chǎn)第一年帶來的收入將優(yōu)于5納米在2020年量產(chǎn)時的收益，預(yù)計(jì)3納米制程技術(shù)將在量產(chǎn)五年內(nèi)釋放全世界約1.5兆美元終端產(chǎn)品的價(jià)值。

02
三星：拼成為美國最先進(jìn)晶圓廠

三星于2022年在6月30日透過新聞稿宣布，采用環(huán)繞式閘極（GAA）架構(gòu)的3納米量產(chǎn)，該制程首次應(yīng)用于高效能、低功耗的運(yùn)算領(lǐng)域，并計(jì)畫拓展至行動處理器。

三星規(guī)劃，下世代3納米3GAP預(yù)定2023年量產(chǎn)，更先進(jìn)的2納米制程2025年量產(chǎn)，2027年量產(chǎn)1.4納米制程。

三星是在南韓華城廠區(qū)生產(chǎn)首代3納米制程，后續(xù)并規(guī)劃于平澤廠擴(kuò)充該制程產(chǎn)能。三星預(yù)期，平澤P3新廠整合記憶體以及邏輯IC代工，并于去年5月設(shè)備進(jìn)廠、去年7月到位，按照計(jì)畫將先開出NAND芯片產(chǎn)能，后續(xù)才會開出3納米晶圓代工產(chǎn)能。

三星擴(kuò)充晶圓代工先進(jìn)制程集中南韓本地，后續(xù)計(jì)畫在3納米量產(chǎn)成熟后導(dǎo)入美國德州廠。三星先前也在2022北美論壇上釋出，最快2026年3納米環(huán)繞閘極技術(shù)（GAA）制程將在美國生產(chǎn)，未來目標(biāo)成為美國最先進(jìn)晶圓廠，這也代表3納米美國制造競爭趨于白熱化。

招募資料顯示，三星泰勒新廠是三星繼奧斯汀之后，第二個位于美國的生產(chǎn)據(jù)點(diǎn)，預(yù)定投資170億美元、2024年下半年投產(chǎn)。由于去年還沒有泰勒晶圓代工的組織單位，因此新聘用的人力將先掛在三星奧斯汀公司法人下，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營管理職位剛起步。

三星和臺積電在晶圓代工領(lǐng)域的競爭主要在臺灣、南韓兩地。三星晶圓代工部門官方資訊顯示，在美國僅有德州設(shè)有12吋廠生產(chǎn)65納米乃至14納米制程，若未來擴(kuò)充順利，將有美國第二個廠，在南韓本地?cái)U(kuò)充也相當(dāng)積極。

三星已在2022年5月在南韓平澤啟動建設(shè)5納米極紫外光（EUV）工廠，先前華城廠區(qū)量產(chǎn)5納米后又率先量產(chǎn)3納米，合計(jì)南韓本地已有至少六大生產(chǎn)基地（包含一個封裝測試廠、一個8吋廠與四個12吋廠）。

三星規(guī)劃未來20年內(nèi)投資1,921億美元，在美國德州建造11個新工廠。11個工廠中有九個位于泰勒，其余兩個位于奧斯汀市的莊園獨(dú)立學(xué)區(qū)。三星去年12月已獲得泰勒九個減稅申請核準(zhǔn)，并正在等待莊園剩余兩個的批準(zhǔn)。


03
英特爾：四年內(nèi)大跨步推展制程

在基辛格重返英特爾擔(dān)任CEO以后，他定下了雄心勃勃的IDM 2.0計(jì)劃。

時任英特爾代工服務(wù)總裁 Randhir Thakur（現(xiàn)在已經(jīng)離職）在去年11月接受日經(jīng)亞洲采訪時表示：“我們的目標(biāo)是在本世紀(jì)末成為世界第二大代工廠，并且 [我們] 期望產(chǎn)生領(lǐng)先的代工利潤率”。

如上所說，3nm毫無疑問將成為英特爾的一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

按照英特爾所說，Intel 3 將共享Intel 4 的一些特性，但足夠新來描述這個新的完整節(jié)點(diǎn)，特別是新的高性能庫。其每瓦性能比Intel 4 提高 18%。

因?yàn)橛⑻貭柊裪ntel 4當(dāng)作intel 3的基礎(chǔ)，外媒semiwiki也將其與臺積電3nm比較，我們在這里介紹一下已經(jīng)有更多消息披露的intel 4的工藝細(xì)節(jié)，以給大家對intel 3的期望提供更多參考。

據(jù)介紹，Intel 4 是相對于 Intel 7 的全節(jié)點(diǎn)縮減，在相同的功率范圍內(nèi)估計(jì)性能提高了 20%，或者在相同的時鐘下功率降低了 40%。這是英特爾自重新啟動其作為其他芯片設(shè)計(jì)商的客戶代工廠以來宣布的第一個全節(jié)點(diǎn)縮減，但該公司并不期望其新客戶部署intel 4，盡管它強(qiáng)調(diào)他們將能夠如果他們愿意，可以使用它。相反，英特爾認(rèn)為，當(dāng)該工藝可用時，其未來的前沿代工客戶將主要瞄準(zhǔn)intel 3，其原因之一是英特爾 4 針對高性能芯片進(jìn)行了優(yōu)化。

英特爾將在 Intel 4 工藝中將 EUV 引入制造，然后在 Intel 3 中深化該技術(shù)的使用。據(jù)英特爾稱，在沒有 EUV 的情況下，從Intel 7 到Intel 4，每個 CPU 需要使用的掩模數(shù)量將增加 30%。相反，Intel 4 所需的掩膜數(shù)量下降了 20%。總流程步驟減少了 5%。

與臺積電一樣，英特爾最初對 EUV 的采用將受到限制。據(jù)報(bào)道，該公司正在使用 EUV 進(jìn)行接觸，但僅限于某些金屬層和通孔。臺積電和三星都將 EUV 用于觸點(diǎn)、通孔和金屬層。預(yù)計(jì)英特爾將通過Intel 3 擴(kuò)大其對 EUV 的采用，因此這種差距將隨著時間的推移而縮小。

英特爾近期甫推出第四代Intel Xeon可擴(kuò)充處理器（代號為Sapphire Rapids），在單一封裝結(jié)合最高四個采用Intel 7制程打造的芯片塊，供應(yīng)資料中心、AI運(yùn)算等應(yīng)用。

英特爾先前就已展現(xiàn)在制程技術(shù)方面的強(qiáng)烈企圖心與進(jìn)展計(jì)畫，要在四年內(nèi)大跨步發(fā)展五個制程節(jié)點(diǎn)，除了已經(jīng)推出的Intel 7制程外，Intel 4制程產(chǎn)品規(guī)畫于今年開始出貨，Intel 3制程將于2023年下半年準(zhǔn)備生產(chǎn)。后續(xù)Intel 20A制程（相當(dāng)于2納米）預(yù)計(jì)將于2024年上半準(zhǔn)備量產(chǎn)，而Intel 18A制程原預(yù)計(jì)2025年初問世，但相關(guān)時程已提早到2024年下半可以量產(chǎn)。

04
昂貴的價(jià)格

根據(jù)DigiTimes報(bào)道，臺積電3nm FinFET工藝圓晶目前的每片報(bào)價(jià)已經(jīng)突破2萬美元，相比7nm工藝的價(jià)格翻倍，相比5nm工藝的漲幅也有25%，并可能在2023年進(jìn)一步上漲。盡管三星3nm GAA工藝的價(jià)格也迎來了上漲，但在價(jià)格上還是繼續(xù)延續(xù)了之前的優(yōu)勢。

高通的情況則不太相同，長期以來主要是與三星在芯片代工上進(jìn)行合作，然而在經(jīng)歷驍龍888和驍龍8 Gen 1連續(xù)兩代產(chǎn)品的失敗之后，不得不轉(zhuǎn)向工藝更成熟的臺積電，以代工驍龍8+ Gen 1和剛發(fā)布不久的驍龍8 Gen 2。

除了更高的報(bào)價(jià)，高通過往更多考慮三星而非臺積電，主要是臺積電更優(yōu)先滿足蘋果的訂單需求，其次還有與三星旗艦機(jī)上采用驍龍芯片的秘密合同，這些可能都是促使高通再次回歸三星代工的原因。

芯片設(shè)計(jì)廠商對于代工價(jià)格上漲不滿，而臺積電也是有苦難言。從成本核算的角度來看，第三方分析機(jī)構(gòu)IBS曾算過一筆賬，晶圓廠在3nm制程的工藝研發(fā)投入達(dá)到40億美元-50億美元，建一座3納米制程、每月生產(chǎn)4萬片的生產(chǎn)線，成本約為150億美元-200億美元，這還只是晶圓廠的投入。

先進(jìn)制程芯片的開發(fā)費(fèi)用同樣不遑多讓，其研發(fā)費(fèi)用主要包括芯片設(shè)計(jì)、IP、EDA、設(shè)備等，根據(jù)第三方半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Semi engineering計(jì)算，28納米制程的開發(fā)費(fèi)用大約為5130萬美元，到16納米制程需要投入1億美元，到5納米制程節(jié)點(diǎn)，這個費(fèi)用達(dá)到5.42億美元。

根據(jù)行業(yè)媒體Semianalysis的測算，相較于臺積電5nm制程工藝，目前3nm測試芯片在晶體管密度上提高56%，成本增加了約40%。換算下來，3nm制程工藝芯片的單個晶體管的成本降低約11%，“這幾乎是50 多年來主要工藝技術(shù)的最弱擴(kuò)展”。

這對于芯片設(shè)計(jì)公司是無論如何都無法接受的，盡管先進(jìn)制程的利潤豐厚，但投入和風(fēng)險(xiǎn)也更大。尤其是在消費(fèi)電子市場疲軟的大背景下，芯片廠商大概率不會冒險(xiǎn)增加成本去推動芯片制程的升級，未來行業(yè)內(nèi)“擠牙膏”式的產(chǎn)品迭代或?qū)⒊蔀槌B(tài)。


總結(jié)

如今，芯片對于整個電子行業(yè)的核心作用越發(fā)被重視，中國、美國、歐盟都在試圖強(qiáng)化本國的芯片產(chǎn)業(yè)，其中先進(jìn)工藝更是代表了芯片科技的最前沿，3nm之爭既不是開始，也不會是終點(diǎn)。