3nm量产再延期,技术路线是否太激进?
来源:电子工程专辑 发布时间:2022-10-24 分享至微信


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作者:张河勋
电子工程专辑原创


针对“台积电再度将 3 纳米芯片量产延期三个月”的消息,台积电近日回应称,3 纳米制程的发展符合预期,良率高,将在第四季度晚些时候量产。


同时,台积电总裁魏哲家也在近日法说会上提到,3 纳米进度符合预期,具备良好良率并将在第四季度量产,在高速运算和智能手机应用驱动下,客户对3纳米需求超过产能。


尽管台积电对3纳米芯片量产持乐观态度,但其在3纳米芯片仍然坚持FinFet工艺,是否就是其被传延期的根本原因呢?其工艺路线是否太激进?



第四季度量产“初代版本”3纳米芯片?


据《日经亚洲》报道,苹果将在2023年成为第一家使用台积电最新3nm制程工艺的公司,即N3E(3nm Enhanced)制程工艺。据悉,N3E工艺芯片将用在苹果2023年的新款iPhone和Mac电脑上。


知情人士透露,苹果目前研发的A17处理器将使用台积电的N3E(3nm Enhanced)制程工艺进行大规模生产,预计2023下半年上市。知情人士还称,A17处理器将用在2023年发布的iPhone 15 Pro系列上,而基本款的iPhone 15将仍然采用A16处理器。此外,用于新款Mac电脑的M3处理器也将采用N3E制程工艺。


据悉,台积电员工在台湾新竹市的技术研讨会上透露,N3E工艺将比N3工艺提供更好的性能和能源效率。另外也有消息透露,与5nm工艺(N5)相比,在同等性能和密度的条件下,N3E的功耗降低34%、性能提升18%,晶体管密度提升60%。


此前,有消息人士透露,台积电内部决定放弃N3工艺,转攻2023下半年量产成本更优的N3E工艺。业内人士推测,导致该结果的主要原因是苹果对台积电第一代3nm芯片的效果不满意。由于采用第一代3nm工艺的客户较少,苹果又是台积电的主要大客户,所以台积电或将放弃3nm工艺,转而投入表现更好的N3E工艺。


综合以上信息,台积电今年第四季度量产的3纳米芯片是否会是“初代版本”呢? 而初代版本的3纳米工艺很可能因为不成熟,其良品率难以达到客户预期。



技术工艺路线太激进?


今年上半年,三星采用GAA工艺率先量产3纳米芯片,但很多性能指标上远不及台积电的N3工艺,比如晶体管密度。相对而言,台积电N3工艺路线是非常“保守”的,仍然采用FinFet工艺,这是否就是其3纳米芯片延期,甚至落后三星的根本原因呢?


实际上,在工艺路线选择上,台积电N3工艺跟英特尔10nm芯片工艺选择有些类似。Intel一直在10nm之前的工艺节点上“一骑绝尘”,但在10nm芯片上则直接翻车。有人总结其根本原因在于:Intel的10nm工艺芯是在“刀尖跳舞”,自信变成了自负。


当时,英特尔规划10nm工艺芯片时,由于EUV还无法商用化,就必须在不依赖EUV的情况下去生产10nm芯片。而英特尔可选的路子就只有两条:一是把10nm的技术规格控制在当时DUV光刻可接受的程度;二是在多重曝光技术SAQP上下赌注,若成功顺带解决7nm工艺芯片的问题。


后来,Intel选了后面这条路线,把线宽拖到必须采用SAQP才能解决的宽度(目前DUV密度最高的工艺)。果不其然,Intel在10nm工艺芯片上遭遇失败。因此,Intel的10nm工艺芯片是不太符合当时的技术背景,规格高于技术栈的能力。


那么,台积电的3nm芯片选择FinFet工艺是否也有共同之处?根据目前的资料,台积电N3的预计密度是300,并且依旧是FinFet工艺。


相对而言,GAA肯定比FinFet更难造,但随着晶体管尺度向5nm甚至3nm迈进,FinFET本身的尺寸已经缩小至极限后,无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限也使得晶体管制造变得岌岌可危,甚至物理结构都无法完成。因此,很多资深专业人士都认为,当工艺节点进阶到3nm时,FinFET已不可行,将转向GAA。


然而,台积电3纳米芯片仍然选择FinFET,是不是跟英特尔当年10纳米芯片一样,在技术极限挑战。那么,台积电3纳米芯片延期也在情理之中。



3纳米订单数量不如预期


尽管3纳米技术是业界非常期待的技术,但由于其应用成本过高,且在绝大多数应用场景下都属性能过剩,导致其必然成为小众的芯片工艺技术。不过,正如上文所述,预计N3工艺不会被采用,毕竟初代版本技术成本太高、良率太低,而N3E工艺作为增强版将进一步提升性能、降低功耗、扩大应用范围,成为苹果的首选技术工艺。


在第三季度财报会议上,台积电透露了3nm工艺的最新进展,由于订单数量不如预期,项目的实际落地时间或将推迟至今年底。据悉,英特尔、AMD和英伟达都不再支持台积电首批3nm工艺,而苹果则按原计划生产A17仿生芯片与M3芯片。


毫无疑问,在芯片技术选择上,苹果才有财力和意愿支持台积电N3E工艺,进而保证其产品阵营的领先性。然而,英特尔、AMD和英伟达暂时不选择N3E工艺更多的是考量PC市场需求不旺,没有必要冒着良率不足的风险抢夺首批3nm工艺。


不过,毫无疑问,台积电3纳米工艺仍然是受欢迎的。据悉,台积电N3E工艺中256Mb SRAM的平均良率将达到80%,移动设备以及HPC芯片良率也为80%左右。受限于市场因素,英特尔、AMD和英伟达才搁置采用台积电N3E工艺芯片的计划。


为iPhone制造零部件的公司Murata Manufacturing(村田制作所)认为,智能手机销量的下降将持续到2023年。该公司估计,2021年,全球智能手机市场出货量为13.6亿部,而2022年的总销量可能低于12亿部,这主要由中国市场的需求下降导致。


Canalys预计,2022年第三季度,全球个人电脑市场面临需求大幅下降的趋势。台式电脑和笔记本电脑总发货量下降18%,至6,940万台。不利的宏观经济和行业因素削弱了个人电脑市场的势头,包括高通胀、利率上升和库存膨胀,这一趋势可能持续到2023年。


由此可见,台积电要指望N3E工艺赢得更多订单,可能需要再等一年,而N3E工艺对其经营业绩能带来多大助力还有待观察。



END


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