今天小編分享的科技經驗：前有追兵後有堵截 3nm會是下一個長壽節點嗎？，歡迎閲讀。
集微網報道 備受期待的 3nm 工藝已經逐漸撥開了前期的迷霧。按照台積電的説法，2023 年下半年将開始貢獻營收，改版的 N3E 也将在同期實現量產。而且，台積電也對 3nm 成為長壽節點非常有信心。
縱覽半導體發展歷史，能被稱為長壽節點的工藝屈指可數，28nm 是最被人熟知的一個。但是，時代已經發生變化，台積電的 3nm 還能重現 28nm 的輝煌嗎？
N3 的時代降臨
在三星搶跑半年之後，台積電才于 2022 年末宣布正式量產 3nm 工藝，并罕見地舉辦了量產和擴產儀式。與三星激進地采用 GAA 工藝不同，台積電的 3nm 還是留守在 FinFET 工藝上，不過引入了創新的 FinFlex 架構（允許芯片設計人員在一個模塊内混合和匹配不同類型的 FinFET）。按照官方宣傳，其比 5nm 工藝的邏輯密度增益增加 60%，功耗降低 30-35%。
盡管初期也有傳言稱 N3 工藝良率不足，導致除蘋果之外的廠商都暫緩投入該工藝。但後續報道和台積電的法説會則完全打消了這種猜忌。台積電在 2023 年 Q1 法説會上表示，N3 工藝的需求來自手機與高性能計算，目前需求超過公司產能，營收貢獻節點将是第三季。同時，改進型的 N3E 工藝則于下半年量產，應用同樣來自手機與高性能計算，且無論 N3 還是 N3E 皆有不錯良率，使 3 納米家族流片數量達到 5 納米家族 2 倍。
台積電總裁魏哲家也表示，N3 和 N3E 都吸引了眾多客户的參與，所以無懼產業庫存調整的影響，預計未來幾年都将保持強勁的需求。業内分析師也指出，台積電将今年的先進工藝資本支出中的大部分用在了 3nm 產能上（2021 年和 2022 年的資本支出主要集中在擴大 N5 產能上），再結合蘋果已經包下了 90% 產能，台積電的 3nm 會成為公司的下一個長期撈金利器。
以賽亞調研認為，台積電預計在第二季度達到滿載的稼動率，這意味着主要大客户（如蘋果）產品的需求穩定上升。除蘋果之外，2024 年台積電的主要客户，如高通、聯發科、AMD 等也計劃在 3nm 制程上推出新產品，并預計在 2024 年底前達到每月 10 萬片的產能。綜合來看，未來幾年内 3nm 制程的產能持續提升，加之重點大客户持續推出新產品，且稼動率保持滿載的情況下，3nm 制程有望成為台積電所期望的長期大量制程節點。
如果再考慮到 2026 年 2nm 工藝才開始普及，而 3nm 工藝是使用身經百戰的 FinFET 的最後一個節點，在 GAA 并非是所有芯片剛需的條件下，其将在未來多年一直延續下去。
現在下結論還早？
" 現在讨論這個（3nm 成為長壽節點）還過早，因為 28nm 是經過了十幾年的考驗才被證明是一個長壽節點。" 一位行業資深人士認為不可輕下結論。
3nm 具備很多優勢，如更高的集成度、更低的功耗、更好的性能等，可以應用在諸多前沿應用領網域，如人工智能、雲計算、物聯網和高性能計算等。然而，制程節點的持久性不僅取決于技術優勢，還取決于市場需求和行業競争的發展，這從 28nm 的發展中就可以看出。
28nm 采用高介電層 / 金屬栅極（High-k Metal Gate，HKMG）技術，是平面式技術世代中最高級别的制程。經過多年的研發和實際應用，其已經達到了相對成熟和穩定的狀态，制程技術和設備已經經過充分的優化和改進，生產效率較高，并且具備較好的可靠性和可重復性。
以賽亞調研指出，28nm 制程節點是許多應用的甜蜜點，關鍵就在于成本，像 ISP、OLED DDI、射頻、車用等產品主要都在 28nm 節點投片，如再往先進制程過渡就會面臨到成本上升的壓力。相比于更先進的制程節點，如 10nm、7nm 等，28nm 制程具有更低的投資成本和生產成本。對于這些應用領網域來説，使用 28nm 制程可以在合理的成本範圍内提供良好的性能和功耗平衡，滿足市場需求。因此，28nm 制程在多個應用領網域具有廣泛的适用性，一些低功耗、成本敏感的應用也可以通過 28nm 制程得到滿足。
此外，對于一些設計團隊和制造商來説，遷移到更先進的制程節點可能需要更多的工程和資金投入，而 28 納米制程的兼容性較好，可以在不大幅度調整現有設計和流程的情況下實現遷移。
相對的成本優勢和穩定性是 28nm 成為長壽節點的關鍵，如果從這兩點來考慮，3nm 同樣具有很大的潛力。半導體資深專家莫大康認為，" 在 3nm 節點，現有 EUV 已到極限，個别工藝要用 EUV 的 DP，而 2nm 則要用到高數值孔徑 EUV 及 GAA，成本将大幅上升；而且，台積電目前的成品率也不算很高，再走下去風險越來越大，可以預見成本會越來越高，能支持的產品已不多，所以 3 納米還是相對成熟的。"
另一個關鍵就是市場的驅動。" 長壽制程的因素包括了產品的應用、市場需求和普及速度，從面板驅動 IC、網通 Wi-Fi、CIS 到毫米波雷達，都是因應需求而發展，28nm 要占得先機也是經過一段很長的等待期 "，業内資深人士指出，如果 3nm 要獲得發展機會，自動駕駛和高性能計算将是觸發市場的關鍵點。
以賽亞調研認為 3nm 制程有潛力成為高端產品的大量生產節點，如 CPU、GPU、AP 以及加密貨币等，在高性能和高效能應用中為相關產業帶來創新與突破。
家族式作戰
3nm 能成為長壽節點，還有一個因素就是 " 家族式作戰 "。除了基礎的 N3 和改進的 N3E 之外，台積電還為 3nm 節點預備了 N3P 和 N3X 工藝。
N3E 是因為 N3 未能達到台積電初期的性能、功率和產量目标而開發的。與 N5 相比，N3E 的功耗（在相同的性能和復雜性下）将降低 34% 或性能提高 18%（在相同的功耗和復雜性下），并将邏輯晶體管密度提高 1.6 倍，但該節點的邏輯密度略有降低。
N3P 在保持與 N3E 設計規則相容性的同時，提供額外的效能和面積優勢，以最大程度地實現 IP 重復使用。N3P 預計 2024 年下半年開始量產，可在相同漏電下，速度增快 5%；在相同速度下，功耗降低 5-10%，以及與 N3E 相比芯片密度增加 4%。
專為 HPC 應用所設計的 N3X，提供額外的最大震蕩頻率 ( Fmax ) ，以在适度漏電平衡下提高驅動效能 ( overdrive performance ) 。相較于 N3P，N3X 在驅動電壓 1.2V 下，速度增快 5%，并擁有相同的芯片密度提升幅度，預計于 2025 年進入量產。
為了搶占車用市場，精明的台積電還推出了業界第一個基于 3nm 的 Auto Early 技術 N3AE 方案，提供以 N3E 為基礎的汽車制程設計套件，将有助縮短客户產品上市時間 2-3 年。
圖 台積電 3nm 工藝家族
推出家族系列工藝節點，一方面是滿足了細分市場的應用，一方面則是應對主工藝節點更新節奏越來越慢的挑戰。台積電相信，當尖端芯片的開發将轉向 2nm 時，很多普通用户還在未來會堅持使用各種 N3 技術。
不穩定的因素
阻礙 3nm 成為長壽節點的因素也同樣存在。廠商之間的激烈競争就是其一。
三星在先進工藝方面一直緊追台積電，并大有趕超之勢。據韓國媒體報道，三星為 2023 年 6 月舉行的國際 VLSI 研讨會準備的演講簡報顯示，第二代 3nm 制程芯片的運算速率比其 4nm 制程快 22%，省電效率高 34%，芯片尺寸則減少 21%。而台積電近期才公布，第二代 3nm 制程的效能比 N5 高 18%、省電效率多 32%。一般認為，台積電 N5 制程與三星 SF4 制程相似。
有消息稱，高通明年的旗艦芯片骁龍 8 Gen4 将會引入三星作為第二代工廠，打破過去三代產品由台積電獨家操刀的局面，引發 3nm 工藝的搶單大戰。台積電和三星将分别采用 N3E 和第二代 3 納米 GAA 制程來生產骁龍 8 Gen 4 芯片。
兩個 3nm 工藝的對決，可以促進工藝的進步，但也可能提前耗盡該工藝的潛能，使得新工藝更新速度加快。
除了廠商競争之外，相鄰工藝節點的競争也有可能影響到 3nm 的壽命長短。目前最大競争者就是台積電自身的 5nm 工藝。自誕生後的 4 年後，5nm 的制程效能提升高達 17%、芯片密度增加 6%，并維持相同的設計規則相容性，以盡可能增加現有客户設計的再利用。同時，5nm 的更新版 4nm 工藝也将有更多的需求，而這些需求的增加同樣來自于人工智能、網絡和汽車芯片產品。
以賽亞調研認為，目前有相當多的產品應用都停留在 5nm 節點，如蘋果的 A16 和 M2 系列芯片、高通和聯發科的旗艦手機芯片，以及 NVIDIA 和 AMD 的 GPU 等。這些產品的需求量都相當可觀，并且穩定地由台積電進行生產，這表明 5nm 節點在當前市場上占據着重要地位，并且有着相對較長的生命周期。
還一個就是即将到來的 2nm 工藝。該節點預計在 2025 年進入量產階段，屆時是否會替代 3nm 成為長壽節點，仍要考慮之後制程技術發展，以及客户產品需求等因素。" 值得注意的是，過去的例子中，從 28nm 節點轉到 12/16nm 以下的節點時，是從 Planar 轉向 FinFET，而現在從 3nm 到 2nm 的轉變也是從 FinFET 轉向 GAA。因此，制程技術的演進可能會對節點的長壽性產生影響。" 以賽亞調研表示。
業内資深人士也認為，" 需要 high NA EUV ( 0.55NA ) 的 N2 是很昂貴的制程，客户不一定現在買單，去庫存化需要時間而且 N2 的性能目前尚未得知；再者，N2 對台積電也是新制程 ( non FinFET ) 。"
" 同時，這也跟客户想要推出更有競争力產品的選擇有關，5nm 的部門未來會轉移到 3nm 的機率還是很大的，2nm 則還要觀察。" 該人士最後強調。
