前有追兵后有堵截 3nm会是下一个长寿节点吗？

集微网报道 备受期待的3nm工艺已经逐渐拨开了前期的迷雾。按照台积电的说法，2023年下半年将开始贡献营收，改版的N3E也将在同期实现量产。而且，台积电也对3nm成为长寿节点非常有信心。

纵览半导体发展历史，能被称为长寿节点的工艺屈指可数，28nm是最被人熟知的一个。但是，时代已经发生变化，台积电的3nm还能重现28nm的辉煌吗？

N3的时代降临

在三星抢跑半年之后，台积电才于2022年末宣布正式量产3nm工艺，并罕见地举办了量产和扩产仪式。与三星激进地采用GAA工艺不同，台积电的3nm还是留守在FinFET工艺上，不过引入了创新的FinFlex架构（允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的FinFET）。按照官方宣传，其比5nm工艺的逻辑密度增益增加60%，功耗降低30-35%。

尽管初期也有传言称N3工艺良率不足，导致除苹果之外的厂商都暂缓投入该工艺。但后续报道和台积电的法说会则完全打消了这种猜忌。台积电在2023年Q1法说会上表示，N3工艺的需求来自手机与高性能计算，目前需求超过公司产能，营收贡献节点将是第三季。同时，改进型的N3E工艺则于下半年量产，应用同样来自手机与高性能计算，且无论N3还是N3E皆有不错良率，使3纳米家族流片数量达到5纳米家族2倍。

台积电总裁魏哲家也表示，N3和N3E都吸引了众多客户的参与，所以无惧产业库存调整的影响，预计未来几年都将保持强劲的需求。业内分析师也指出，台积电将今年的先进工艺资本支出中的大部分用在了3nm产能上（2021年和2022年的资本支出主要集中在扩大N5产能上），再结合苹果已经包下了90%产能，台积电的3nm会成为公司的下一个长期捞金利器。

以赛亚调研认为，台积电预计在第二季度达到满载的稼动率，这意味着主要大客户（如苹果）产品的需求稳定上升。除苹果之外，2024年台积电的主要客户，如高通、联发科、AMD等也计划在3nm制程上推出新产品，并预计在2024年底前达到每月10万片的产能。综合来看，未来几年内3nm制程的产能持续提升，加之重点大客户持续推出新产品，且稼动率保持满载的情况下，3nm制程有望成为台积电所期望的长期大量制程节点。

如果再考虑到2026年2nm工艺才开始普及，而3nm工艺是使用身经百战的FinFET的最后一个节点，在GAA并非是所有芯片刚需的条件下，其将在未来多年一直延续下去。

现在下结论还早？

“现在讨论这个（3nm成为长寿节点）还过早，因为28nm是经过了十几年的考验才被证明是一个长寿节点。”一位行业资深人士认为不可轻下结论。

3nm具备很多优势，如更高的集成度、更低的功耗、更好的性能等，可以应用在诸多前沿应用领域，如人工智能、云计算、物联网和高性能计算等。然而，制程节点的持久性不仅取决于技术优势，还取决于市场需求和行业竞争的发展，这从28nm的发展中就可以看出。

28nm采用高介电层/金属栅极（High-k Metal Gate，HKMG）技术，是平面式技术世代中最高级别的制程。经过多年的研发和实际应用，其已经达到了相对成熟和稳定的状态，制程技术和设备已经经过充分的优化和改进，生产效率较高，并且具备较好的可靠性和可重复性。

以赛亚调研指出，28nm制程节点是许多应用的甜蜜点，关键就在于成本，像ISP、OLED DDI、射频、车用等产品主要都在28nm节点投片，如再往先进制程过渡就会面临到成本上升的压力。相比于更先进的制程节点，如10nm、7nm等，28nm制程具有更低的投资成本和生产成本。对于这些应用领域来说，使用28nm制程可以在合理的成本范围内提供良好的性能和功耗平衡，满足市场需求。因此，28nm制程在多个应用领域具有广泛的适用性，一些低功耗、成本敏感的应用也可以通过28nm制程得到满足。

此外，对于一些设计团队和制造商来说，迁移到更先进的制程节点可能需要更多的工程和资金投入，而28纳米制程的兼容性较好，可以在不大幅度调整现有设计和流程的情况下实现迁移。

相对的成本优势和稳定性是28nm成为长寿节点的关键，如果从这两点来考虑，3nm同样具有很大的潜力。半导体资深专家莫大康认为，“在3nm节点，现有EUV已到极限，个别工艺要用EUV的DP，而2nm则要用到高数值孔径EUV及GAA，成本将大幅上升；而且，台积电目前的成品率也不算很高，再走下去风险越来越大，可以预见成本会越来越高，能支持的产品已不多，所以3纳米还是相对成熟的。”

另一个关键就是市场的驱动。“长寿制程的因素包括了产品的应用、市场需求和普及速度，从面板驱动IC、网通Wi-Fi、CIS到毫米波雷达，都是因应需求而发展，28nm要占得先机也是经过一段很长的等待期”，业内资深人士指出，如果3nm要获得发展机会，自动驾驶和高性能计算将是触发市场的关键点。

以赛亚调研认为3nm制程有潜力成为高端产品的大量生产节点，如CPU、GPU、AP以及加密货币等，在高性能和高效能应用中为相关产业带来创新与突破。

家族式作战

3nm能成为长寿节点，还有一个因素就是“家族式作战”。除了基础的N3和改进的N3E之外，台积电还为3nm节点预备了N3P和N3X工艺。

N3E是因为N3未能达到台积电初期的性能、功率和产量目标而开发的。与N5相比，N3E的功耗（在相同的性能和复杂性下）将降低34%或性能提高18%（在相同的功耗和复杂性下），并将逻辑晶体管密度提高1.6倍，但该节点的逻辑密度略有降低。

N3P在保持与N3E 设计规则相容性的同时，提供额外的效能和面积优势，以最大程度地实现IP重复使用。N3P预计2024年下半年开始量产，可在相同漏电下，速度增快5%；在相同速度下，功耗降低5-10%，以及与N3E相比芯片密度增加4%。

专为HPC应用所设计的N3X，提供额外的最大震荡频率(Fmax)，以在适度漏电平衡下提高驱动效能(overdrive performance)。相较于N3P，N3X在驱动电压 1.2V下，速度增快5%，并拥有相同的芯片密度提升幅度，预计于2025年进入量产。

为了抢占车用市场，精明的台积电还推出了业界第一个基于3nm的Auto Early 技术 N3AE方案，提供以N3E为基础的汽车制程设计套件，将有助缩短客户产品上市时间2-3年。

图 台积电3nm工艺家族

推出家族系列工艺节点，一方面是满足了细分市场的应用，一方面则是应对主工艺节点升级节奏越来越慢的挑战。台积电相信，当尖端芯片的开发将转向2nm时，很多普通用户还在未来会坚持使用各种N3技术。

不稳定的因素

阻碍3nm成为长寿节点的因素也同样存在。厂商之间的激烈竞争就是其一。

三星在先进工艺方面一直紧追台积电，并大有赶超之势。据韩国媒体报道，三星为2023年6月举行的国际VLSI研讨会准备的演讲简报显示，第二代3nm制程芯片的运算速率比其4nm制程快22%，省电效率高34%，芯片尺寸则减少21%。而台积电近期才公布，第二代3nm制程的效能比N5高18%、省电效率多32%。一般认为，台积电N5制程与三星SF4制程相似。

有消息称，高通明年的旗舰芯片骁龙8 Gen4将会引入三星作为第二代工厂，打破过去三代产品由台积电独家操刀的局面，引发3nm工艺的抢单大战。台积电和三星将分别采用N3E和第二代3纳米GAA制程来生产骁龙8 Gen 4芯片。

两个3nm工艺的对决，可以促进工艺的进步，但也可能提前耗尽该工艺的潜能，使得新工艺升级速度加快。

除了厂商竞争之外，相邻工艺节点的竞争也有可能影响到3nm的寿命长短。目前最大竞争者就是台积电自身的5nm工艺。自诞生后的4年后，5nm的制程效能提升高达17%、芯片密度增加 6%，并维持相同的设计规则相容性，以尽可能增加现有客户设计的再利用。同时，5nm的升级版4nm工艺也将有更多的需求，而这些需求的增加同样来自于人工智能、网络和汽车芯片产品。

以赛亚调研认为，目前有相当多的产品应用都停留在5nm节点，如苹果的A16和M2系列芯片、高通和联发科的旗舰手机芯片，以及NVIDIA和AMD的GPU等。这些产品的需求量都相当可观，并且稳定地由台积电进行生产，这表明5nm节点在当前市场上占据着重要地位，并且有着相对较长的生命周期。

还一个就是即将到来的2nm工艺。该节点预计在2025年进入量产阶段，届时是否会替代3nm成为长寿节点，仍要考虑之后制程技术发展，以及客户产品需求等因素。“值得注意的是，过去的例子中，从28nm节点转到12/16nm以下的节点时，是从Planar转向FinFET，而现在从3nm到2nm的转变也是从FinFET转向GAA。因此，制程技术的演进可能会对节点的长寿性产生影响。”以赛亚调研表示。

业内资深人士也认为，“需要high NA EUV (0.55NA) 的N2是很昂贵的制程，客户不一定现在买单，去库存化需要时间而且N2的性能目前尚未得知；再者，N2对台积电也是新制程(non FinFET)。”

“同时，这也跟客户想要推出更有竞争力产品的选择有关，5nm的单位未来会转移到3nm的机率还是很大的，2nm则还要观察。”该人士最后强调。