3nm這么高端，怎么不用？

作者：米樂

3nm打的火熱，然后呢？

摩爾定律接近極限，但魅力卻無(wú)限。從14nm、7nm再到如今的3nm、2nm，國(guó)際大廠對(duì)摩爾定律的追求幾近巔峰。

圍繞3nm節(jié)點(diǎn)，全球巨頭們的競(jìng)賽堪稱激烈。但3nm這一節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)了不同的特征，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的研發(fā)和生產(chǎn)的成本極高，這也增加了供應(yīng)商和客戶的風(fēng)險(xiǎn)，所有的玩家極力地在先進(jìn)技術(shù)與成本之間尋求平衡。

在這場(chǎng)巨頭競(jìng)爭(zhēng)的背后，真正的客戶市場(chǎng)在哪里？又或者說(shuō)，為什么沒客戶？

3nm競(jìng)爭(zhēng)

臺(tái)積電

2016年9月，臺(tái)積電董事長(zhǎng)劉德音首次透露了3nm制程的進(jìn)度，他表示，目前組織了300-400人的團(tuán)隊(duì)研發(fā)中。

在2022 年的技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電分享了有關(guān)其即將推出的 3nm節(jié)點(diǎn)的一些細(xì)節(jié)。臺(tái)積電的第一個(gè) 3nm節(jié)點(diǎn)是“N3”節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)于2018-2019 年宣布，計(jì)劃于今年下半年發(fā)布。

三星

2018年，三星電子在位于美國(guó)的2018年三星半導(dǎo)體代工論壇上，公布其全面的芯片制程技術(shù)路線圖，其中包括5nm、4nm、3nm三個(gè)先進(jìn)制程。

今年6月30日，三星宣布成為全球首家已經(jīng)開始量產(chǎn)3nm制程芯片的廠商。三星表示其初代3nm制程比起5nm 產(chǎn)品功耗降低45%、效能提升16%、節(jié)點(diǎn)面積減少16%；第二代3nm制程更會(huì)降低50% 功耗、擁有30% 效能提升，并減少35%節(jié)點(diǎn)面積。

英特爾

在3nm制程上，英特爾同樣在布局。英特爾為其制程節(jié)點(diǎn)引入了全新的命名體系，市面上來(lái)說(shuō)，Intel 3相當(dāng)于其他廠商的3nm制程。

根據(jù)英特爾的制程路線圖來(lái)看，Intel 3會(huì)在Intel 4之后亮相。在“英特爾加速創(chuàng)新”線上發(fā)布會(huì)上，英特爾計(jì)劃Intel 3 將在2023年下半年亮相。

3nm誰(shuí)在用？

一般來(lái)說(shuō)，芯片的性能與晶體管數(shù)量有關(guān)，但考慮到芯片的功耗、面積不能過(guò)高，那么提升芯片性能的最好辦法就是縮小微電子元件和電路的體積以及它們之間的距離，這樣在芯片面積不變的情況下可以塞入更多的晶體管數(shù)量，性能自然更強(qiáng)。

相比于電腦、汽車這些產(chǎn)品，手機(jī)的體積相當(dāng)小，會(huì)拿在手上使用，并且為了方便使用時(shí)也會(huì)脫離電源。這意味著除了性能之外，手機(jī)還得考慮續(xù)航能力和手機(jī)溫度。而作為耗電大戶和發(fā)熱大戶的芯片，在用上新制程的情況下不僅能夠提高性能，還能降低功耗，減少發(fā)熱，提高用戶的使用體驗(yàn)，這樣的誘惑對(duì)于任何一家手機(jī)廠家都是無(wú)法拒絕的。而且現(xiàn)在芯片制程也成為了手機(jī)的賣點(diǎn)之一，所以手機(jī)都在搶著用新制程。同理還有其他便攜類產(chǎn)品也都是使用先進(jìn)制程的預(yù)備軍。

但是不是所有的手機(jī)都能用3nm的，蘋果作為臺(tái)積電最大客戶，將率先嘗鮮新工藝，據(jù)傳M2 Pro就將基于3nm工藝打造。M2 Pro就是蘋果推出的筆記本電腦，但是除此之外，沒有消息有其他品牌或者其他產(chǎn)品有使用3nm的消息。

其他手機(jī)為什么沒有用呢？不用最先進(jìn)的3nm是否意味著手機(jī)就是落后的呢？

3nm工藝確實(shí)能顯著提升手機(jī)芯片的性能及能耗，但目前的手機(jī)處理器的性能早已嚴(yán)重過(guò)剩，堆砌更多的性能也難以發(fā)揮利用。而且實(shí)際上手機(jī)芯片并不是一直處于峰值性能狀態(tài)，幾乎所有手機(jī)都會(huì)加入溫度控制模塊，在檢測(cè)到溫度過(guò)高時(shí)會(huì)降低芯片性能減少發(fā)熱量。一味地追求工藝制程的進(jìn)步，其實(shí)只是讓紙面數(shù)據(jù)看起來(lái)更華麗一些，并不能為用戶的實(shí)際體驗(yàn)帶來(lái)多大的提升。并且，處理器使用更先進(jìn)的工藝制程，也意味著其制造成本更高，手機(jī)的價(jià)格也就更貴，這部分代價(jià)都需要消費(fèi)者去承擔(dān)。

所以3nm在唯一的客戶這里，也是“岌岌可危”的。果不其然，8月底有消息稱臺(tái)積電內(nèi)部已經(jīng)決定放棄 N3 工藝，因?yàn)榭蛻魩缀醵疾辉敢庥?，包括蘋果。

無(wú)路可“用”的3nm

車企：缺芯，但缺的不是3nm

車企先鋒特斯拉現(xiàn)在的HW3.0內(nèi)部最先進(jìn)的芯片制程工藝也僅僅為14nm，手機(jī)行業(yè)7nm都是四年前的事情了，被稱為現(xiàn)代工業(yè)皇冠的汽車，其使用最先進(jìn)的芯片卻如此“落后”，甚至比一臺(tái)才幾千元的手機(jī)所用的芯片還要“落后”？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是三個(gè)方面的原因：汽車內(nèi)部有著廣闊的空間，芯片面積不太過(guò)于限制；芯片發(fā)熱不用擔(dān)心；功耗在汽車本身的耗能面前很小，汽車也不擔(dān)心功耗。

以及汽車的使用場(chǎng)景相對(duì)固定，基本上就是簡(jiǎn)單的顯示車輛信息、設(shè)置、地圖、音樂、視頻等場(chǎng)景，對(duì)芯片性能要求相對(duì)不高。并且現(xiàn)在各大車企推出的智能座艙并沒有多少能夠自由安裝軟件，更別說(shuō)安裝游玩原神這類對(duì)性能要求極高的游戲，而車機(jī)的位置、大小也在使用車機(jī)玩游戲這件事情顯得不那么現(xiàn)實(shí)。

所以汽車行業(yè)不需要太先進(jìn)的芯片。他們?nèi)钡?，其?shí)是那些技術(shù)成熟甚至稱得上 “老舊”的基礎(chǔ)型芯片。比如ESP芯片，130nm制程，17年前的技術(shù)，但現(xiàn)在奇缺，因?yàn)闆]多少人愿意生產(chǎn)那么老的芯片。純電動(dòng)車的電池管理芯片IGBT，65nm制程，現(xiàn)在也缺的很，也是因?yàn)闆]多少?gòu)S家還保存著那么老的生產(chǎn)線。

所以現(xiàn)在的情況是這些被芯片行業(yè)視為老古董的芯片直接拖住了全球汽車行業(yè)的產(chǎn)能，缺芯并不缺3nm。

不需要還是用不起？

3nm代表著摩爾定律已經(jīng)達(dá)到了極限，但是無(wú)論是設(shè)計(jì)公司、制造廠還是封裝廠，對(duì)于先進(jìn)制程研發(fā)都從未停止，巔峰依舊是他們永遠(yuǎn)的追求，先進(jìn)制程依然是關(guān)乎產(chǎn)業(yè)命脈、國(guó)家安全的關(guān)鍵，未來(lái)科技為王，落后就要挨打。3nm的應(yīng)用少不是唱衰，而是另有原因？

貴，太貴

國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略公司 (IBS) 首席執(zhí)行官Handel Jones表示：“設(shè)計(jì)28nm芯片的平均成本為4000萬(wàn)美元。相比之下，設(shè)計(jì)7nm芯片的成本為2.17億美元，設(shè)計(jì)5nm設(shè)備的成本為 4.16億美元，3nm設(shè)計(jì)更是將耗資高達(dá)5.9億美元。”

在先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)成本上，半導(dǎo)體技術(shù)研究機(jī)構(gòu)Semiengingeering也統(tǒng)計(jì)了不同工藝下芯片所需費(fèi)用，其中28nm節(jié)點(diǎn)上開發(fā)芯片只要5130萬(wàn)美元投入，16nm節(jié)點(diǎn)需要1億美元，7nm節(jié)點(diǎn)需要2.97億美元，到了5nm節(jié)點(diǎn)，開發(fā)芯片的費(fèi)用將達(dá)到5.42億美元，3nm節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)還沒有，大概是因?yàn)?nm現(xiàn)在還在研發(fā)階段，成本不好估算。但從這個(gè)趨勢(shì)來(lái)看，3nm芯片研發(fā)費(fèi)用或?qū)⒔咏?0億美元。

如此高昂的成本，是大廠都無(wú)法承受的。2018 年，因高昂的研發(fā)成本，當(dāng)時(shí)排名世界第二的代工廠格羅方德被迫放棄7nm制程的研發(fā)。目前，全球唯有臺(tái)積電、三星、英特爾還在向3nm、2nm峰頂沖刺。

貴不僅僅是研發(fā)貴，貴在整個(gè)生產(chǎn)鏈。首先是晶圓代工成本，根據(jù)CEST的模型，在5nm節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建的單個(gè)300mm晶圓的成本約為16988美元，在7nm節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建的類似晶圓成本為9346美元?？梢钥吹?，相同尺寸晶圓，5nm工藝節(jié)點(diǎn)相比7nm每片晶圓代工售價(jià)高7000多美元。從中可以推斷出，在3nm節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建的晶圓成本或?qū)⑦_(dá)到3萬(wàn)美元左右，晶圓代工成本將進(jìn)一步提高。

其次是掩膜成本，臺(tái)積電從10nm到5nm，隨著EUV光刻技術(shù)的應(yīng)用，掩膜使用數(shù)量有所減少，5nm與10nm制程中掩膜使用數(shù)量相差不多。但是，在掩膜數(shù)量基本持平的情況下，更先進(jìn)的制程工藝使得掩膜總成本提升，能側(cè)面反映出掩膜平均成本在不斷升高。而ASML第二代EUV光刻機(jī)價(jià)格預(yù)計(jì)將突破3億美元。

最后還有昂貴的研發(fā)和人力費(fèi)用。人才缺失是這個(gè)行業(yè)永遠(yuǎn)的熱門話題。

臺(tái)積電也撐不住了？

N3為什么變成了N3E？前不久臺(tái)積電技術(shù)研討會(huì)上的大部分消息都是關(guān)于 N3E 的，而最初的 N3 節(jié)點(diǎn)只是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)短的提及。

N3 是臺(tái)積電第一代 3nm 工藝，相比N5 工藝功耗可降低約 25-30％，性能可提升 10-15％，晶體管密度提升約 70％。但是N3 工藝應(yīng)用范圍較窄，只適合制造特定的產(chǎn)品，面向超強(qiáng)投資能力、追求新工藝的早期客戶。就是太貴了，只適合愿意燒錢的蘋果、英特爾，結(jié)果這兩家已經(jīng)不用了。

Wikichip更是直言：“N3節(jié)點(diǎn)很奇怪。”它看起來(lái)似乎是臺(tái)積電放棄的一次性節(jié)點(diǎn)。是不是臺(tái)積電工程師在此制程中遇到了一些障礙，并決定中途改變，變成了N3E呢？N3E被納入臺(tái)積電的傘式營(yíng)銷“N3家族”，但N3E 與 N3 非常不同。據(jù)說(shuō)設(shè)計(jì)規(guī)則非常不同，并且 IP 的實(shí)現(xiàn)方式不同，足以使它們?cè)谠O(shè)計(jì)方面不兼容。對(duì)于客戶而言，也沒有直接的 IP 遷移路徑可讓在 N3 上制作的設(shè)計(jì)遷移到 N3E。這次可以相信嗎？蘋果明年會(huì)用嗎？臺(tái)積電3nm的籃子里也只有蘋果一顆“蛋”。

摩根大通在最新發(fā)布的報(bào)告中指出，臺(tái)積電面臨聯(lián)發(fā)科、AMD、高通、英偉達(dá)等四大先進(jìn)制程客戶砍單，計(jì)劃關(guān)閉4臺(tái)極紫外光（EUV）光刻機(jī)以減少產(chǎn)出，屆時(shí)月產(chǎn)能將銳減1.5萬(wàn)片，明年獲利恐衰退8%，是三年來(lái)首度面臨獲利下滑。據(jù)了解，臺(tái)積電目前擁有大約80臺(tái)EUV光刻機(jī)，主要用于7nm、5nm及以下的先進(jìn)工藝，后續(xù)還會(huì)量產(chǎn)3nm工藝。然而隨著PC、手機(jī)、顯卡等產(chǎn)品的需求量下滑，所需的芯片數(shù)量勢(shì)必會(huì)受到影響。蘋果3nm跳單是不是也影響到了臺(tái)積電呢？

總而言之，今年的3nm缺少了天時(shí)、地利、人和，未來(lái)不知道它能不能走出“水逆”，我們翹首以待，靜觀其變。