3納米芯片之爭：三星走到哪一步？

在3納米芯片工藝上，臺積電和三星是唯二的“種子選手”。

由于在4/5nm工藝上糟糕的良品率和表現，三星失去了高通這樣的大客戶的旗艦SoC訂單，為此力圖在3納米芯片上拔得頭籌。今年6月，三星率先宣布量產3納米芯片，不過一直被傳良率偏低。除了一家做礦機芯片的中國公司試水之外，大型半導體廠商中還在觀望。

近日，有媒體援引知情人士透露，三星正在與5-6家無晶圓廠供應商客戶聯合開發先進芯片，最早將從2024年開始大量供應。據悉，三星將為英偉達、高通、IBM和百度等客戶量產3納米芯片。不過，相比臺積電2023年大概率將利用3納米工藝為蘋果iPhone 15系列所搭載的A17芯片代工，三星3納米芯片似乎仍相對落后。那么，三星3納米芯片真正良率如何？成本如何？

3納米芯片進展到底如何？

從一些公開的信息來看，三星看似在3nm制程節點上先行一步，但實際生產良率也難盡人意。

據悉，三星電子3納米芯片首家客戶是來自中國的半導體企業PanSemi（磐矽半導體），后者據稱是一家專門生產比特幣挖礦機芯片的公司。

三星電子量產3納米芯片將使用GAA先進工藝和制程，是首家將GAA工藝落地的晶圓代工企業。GAA先進工藝相比現在主流的FinFET工藝，可實現更小的尺寸和更低的功耗。不過，一直有消息稱，三星3納米先進工藝，其良率不足以達到“大規模制造”的要求，更像是試運營，而不是全面的生產運行。除了PanSemi，很長時間都沒有其他明確的企業訂單。

而此次三星將利用3納米技術為英偉達生產圖形處理器（GPU），為IBM生產中央處理器（CPU），為高通生產智能手機應用處理器，為百度生產云數據中心使用的人工智能芯片。

而在未來的技術路線發展上，三星電子計劃在2024年推出第二代3nm工藝技術的半導體芯片（SF3）。三星電子表示，其第二代3nm芯片的晶體管將比第一代3nm芯片小20%，這將為智能手機、個人電腦、云服務器和可穿戴設備帶來更小、更節能的芯片。

由此可見，盡管三星率先宣布3納米技術“量產”，但其代工計劃顯然要滯后于臺積電。

值得一提的是，三星還計劃積極爭取美國境內晶圓代工市場。除了在德州奧斯汀的工廠，目前還計劃在鄰近泰勒市興建全新工廠，為最新3nm制程技術提供代工量產資源，預計在2024年開始運作。這也是三星在2027年將產能提高兩倍以上的目標計劃的一部分。

同時，三星也有意通過新建工廠以獲取美國超過520億美元補貼的“芯片法案”的政策補貼，同時也在一定程度上就近配套美國本土客戶芯片代工以及滿足供應來源地分散化的供應鏈安全的需求。

三星3納米 GAA 制程良率僅20%！

三星方面表示，與最初使用FinFET的5nm工藝相比，第一代3nm GAA工藝節點在功耗、性能和面積(PPA)方面都有不同程度的改善，面積減少16%，性能提高23%，功耗降低45%。到第二代3nm芯片時，面積減小了35%，性能提高了30%，功耗降低了50%。

不過，根據ctee的報告，與之前的4/5nm工藝一樣，三星在3nm GAA工藝的生產中也遇到了挫折，良率只有20%！

如果3納米技術良率低的問題一直不能得到解決的話，那么三星將在勁敵臺積電失去競爭力，或將再一次坐視臺積電在3納米上形成壟斷地位。

據外媒報道，為了克服生產過程中遇到的諸多障礙，三星選擇與美國Silicon Frontline Technology公司合作，協助其提高3nm GAA工藝的良率。

根據Silicon Frontline Technology官網信息，該公司位于加利福尼亞州圣何塞，為布局后驗證提供有保證的準確和有保證的快速電阻、電容、ESD 和熱分析，其產品已被70多家客戶使用，其中包括全球前25家半導體供應商中的12家，得到領先代工廠的認可和使用，并已用于500多種設計中。而且，客戶已經使用我們的技術解決了10nm、14nm、28nm、40nm、ADC、Serdes、敏感模擬電路、圖像傳感器、存儲器、定制數字設計和電源設備的問題。

據悉，靜電放電是晶圓生產過程中產生缺陷的主要原因，也是三星3納米GAA 技術的良率過低的重要原因之一。而Silicon Frontline Technology公司已經藉由水質和靜電放電（ESD）預防技術降低生產過程中的缺陷，以提高晶圓的生產良率。

雖然三星號稱已經透過整合其合作伙伴使用的技術獲得了積極成果，但實際成果還需要在未來幾個月內持續觀察。

不過，也正是三星在之前4/5納米芯片上的表現，讓更多客戶轉向臺積電。比如，近日臺積電取代三星，成功拿下特斯拉輔助駕駛芯片大單。在此之前，特斯拉的主要訂單集中于三星，如特斯拉前一代輔助駕駛芯片采用的14nm技術主要由三星打造。如果三星不能盡快在3納米芯片上有所建樹，那么其將失去更多，這也將是對其最嚴峻的考驗。

三星3納米代工成本如何？

除了技術進展和代工計劃之外，3納米技術代工成本也是很多企業關注的重點。

從公開的性能指標來看，三星3納米芯片還算不錯，但如果良率偏低，沒法大規模量產，必然要抬升代工成本。

毫無疑問，更先進的工藝制程意味著更高的成本。DigiTimes 11月22日爆料，臺積電采用3nm制程的12英寸晶圓片單價已突破2萬美元，相比7nm制程的價格翻倍，相比5nm制程漲幅也有25%。

今年2月，有傳言稱三星4nm工藝的良率僅35%，這意味著從晶圓上切割下來的芯片裸片（die），只有35%可以通過質量控制。相比之下，臺積電4nm工藝的良率可以達到70%。也就是說，在所有條件相同的情況下，臺積電在同一時間制造的芯片數量是三星的兩倍。

目前三星3nm工藝的代工價格沒有相關的信息，如果按照臺積電與三星之間在4nm工藝上2倍良率的差距來計算，那么三星3納米芯片成本將翻倍，達到4萬美元！這如此高成本壓力之下，三星3納米芯片將毫無競爭力。

目前在代工業務方面，三星的市場占比遠遠落后于臺積電，后者占據著全球市場50%以上的份額。然而，未來三星在3納米技術并非沒有更多機會，如果其3納米工藝計劃能如期完成，那么將吸引更多的潛在客戶，畢竟任何沒有企業希望將技術綁定在“一家獨大”的供應商手中，而三星也將在這些企業分散供應鏈風險、降低代工成本的訴求下獲得更多的機會。

在3nm及以下芯片技術上，三星電子可謂雄心勃勃。10月3日，三星電子在舊金山首次披露未來技術路線圖，計劃在2023年推出第二代3nm工藝，該工藝在性能上將優于第一代，2025年開始量產2nm，進一步要在2027年推出1.4nm工藝。但如果三星不能在良率和成本上取得更大的突破，僅在目標計劃上作出一些激進的計劃，特別是不能將先進芯片工藝上的投資轉化成實實在在的現金流，那么跟隨臺積電“陪跑”也不能走太遠。