3nm工藝爭霸戰持續白熱化，巨頭們技術進展與優勢何在？

晶圓代工3納米制程量產后，大廠訂單爭霸戰持續白熱化，究竟目前宣布已量產或計畫量產的三家大廠臺積電、三星、英特爾各有何種技術進展與優勢，牽動后續研發投資進展？


01
臺積電：3納米制程需求非常強勁

臺積電3納米采鰭式場效電晶體（Fin Field-Effect Transistor，FinFET）架構去年第4季底如期量產后，后續3納米陣容將持續擴大。臺積電3納米家族包含N3、N3E、N3P與N3X等，并無外界原本預測的N3B。

卡在2022年的最后幾天，臺積電兌現了年內量產3nm工藝芯片的承諾。12月29日，臺積電在臺南科學園區舉辦3nm量產暨擴廠典禮，正式宣布啟動3nm大規模生產。這座總投資高達6000億新臺幣的超級工廠，在滿產后的月產能將實現6萬片12英寸晶圓，創下了臺積電單筆投資建廠的紀錄。

臺積電雖未直接提供3納米良率數據，仍是全球首家喊出3納米量產初期良率已和5納米同期相當，明顯有別競爭對手閉口不談良率。

臺積電預定N3E作為3納米家族的延伸，將為智慧手機和高速運算相關應用提供完整的支持平臺。臺積電指出，N3E技術預計2023年下半年量產。

盡管庫存調整仍在持續，但公司觀察到N3和N3E皆有許多客戶參與，量產第一年和第二年的產品設計定案數量將是N5的兩倍以上。

臺積電3納米2022年內率先在臺灣南科量產，以南科晶圓十八廠作為3納米主要生產基地，并無外傳于竹科生產3納米的狀況，后續2納米規劃在竹科與中科先后量產，規劃共計六期工程。另外，臺積電全球研發中心將于2023年第2季在竹科開幕，將可進駐8,000位研發人員。

臺積電3納米在臺灣量產成熟后，也將導入美國新廠。臺積電指出，該公司除了在臺灣持續擴建3納米產能，在美國的第二期建廠亦同步展開，預計亞利桑那州晶圓廠2026年開始生產3納米制程技術。

臺積電預估，3納米制程技術量產第一年帶來的收入將優于5納米在2020年量產時的收益，預計3納米制程技術將在量產五年內釋放全世界約1.5兆美元終端產品的價值。

02
三星：拼成為美國最先進晶圓廠

三星于2022年在6月30日透過新聞稿宣布，采用環繞式閘極（GAA）架構的3納米量產，該制程首次應用于高效能、低功耗的運算領域，并計畫拓展至行動處理器。

三星規劃，下世代3納米3GAP預定2023年量產，更先進的2納米制程2025年量產，2027年量產1.4納米制程。

三星是在南韓華城廠區生產首代3納米制程，后續并規劃于平澤廠擴充該制程產能。三星預期，平澤P3新廠整合記憶體以及邏輯IC代工，并于去年5月設備進廠、去年7月到位，按照計畫將先開出NAND芯片產能，后續才會開出3納米晶圓代工產能。

三星擴充晶圓代工先進制程集中南韓本地，后續計畫在3納米量產成熟后導入美國德州廠。三星先前也在2022北美論壇上釋出，最快2026年3納米環繞閘極技術（GAA）制程將在美國生產，未來目標成為美國最先進晶圓廠，這也代表3納米美國制造競爭趨于白熱化。

招募資料顯示，三星泰勒新廠是三星繼奧斯汀之后，第二個位于美國的生產據點，預定投資170億美元、2024年下半年投產。由于去年還沒有泰勒晶圓代工的組織單位，因此新聘用的人力將先掛在三星奧斯汀公司法人下，基礎設施建設和運營管理職位剛起步。

三星和臺積電在晶圓代工領域的競爭主要在臺灣、南韓兩地。三星晶圓代工部門官方資訊顯示，在美國僅有德州設有12吋廠生產65納米乃至14納米制程，若未來擴充順利，將有美國第二個廠，在南韓本地擴充也相當積極。

三星已在2022年5月在南韓平澤啟動建設5納米極紫外光（EUV）工廠，先前華城廠區量產5納米后又率先量產3納米，合計南韓本地已有至少六大生產基地（包含一個封裝測試廠、一個8吋廠與四個12吋廠）。

三星規劃未來20年內投資1,921億美元，在美國德州建造11個新工廠。11個工廠中有九個位于泰勒，其余兩個位于奧斯汀市的莊園獨立學區。三星去年12月已獲得泰勒九個減稅申請核準，并正在等待莊園剩余兩個的批準。


03
英特爾：四年內大跨步推展制程

在基辛格重返英特爾擔任CEO以后，他定下了雄心勃勃的IDM 2.0計劃。

時任英特爾代工服務總裁 Randhir Thakur（現在已經離職）在去年11月接受日經亞洲采訪時表示：“我們的目標是在本世紀末成為世界第二大代工廠，并且 [我們] 期望產生領先的代工利潤率”。

如上所說，3nm毫無疑問將成為英特爾的一個關鍵節點。

按照英特爾所說，Intel 3 將共享Intel 4 的一些特性，但足夠新來描述這個新的完整節點，特別是新的高性能庫。其每瓦性能比Intel 4 提高 18%。

因為英特爾把intel 4當作intel 3的基礎，外媒semiwiki也將其與臺積電3nm比較，我們在這里介紹一下已經有更多消息披露的intel 4的工藝細節，以給大家對intel 3的期望提供更多參考。

據介紹，Intel 4 是相對于 Intel 7 的全節點縮減，在相同的功率范圍內估計性能提高了 20%，或者在相同的時鐘下功率降低了 40%。這是英特爾自重新啟動其作為其他芯片設計商的客戶代工廠以來宣布的第一個全節點縮減，但該公司并不期望其新客戶部署intel 4，盡管它強調他們將能夠如果他們愿意，可以使用它。相反，英特爾認為，當該工藝可用時，其未來的前沿代工客戶將主要瞄準intel 3，其原因之一是英特爾 4 針對高性能芯片進行了優化。

英特爾將在 Intel 4 工藝中將 EUV 引入制造，然后在 Intel 3 中深化該技術的使用。據英特爾稱，在沒有 EUV 的情況下，從Intel 7 到Intel 4，每個 CPU 需要使用的掩模數量將增加 30%。相反，Intel 4 所需的掩膜數量下降了 20%。總流程步驟減少了 5%。

與臺積電一樣，英特爾最初對 EUV 的采用將受到限制。據報道，該公司正在使用 EUV 進行接觸，但僅限于某些金屬層和通孔。臺積電和三星都將 EUV 用于觸點、通孔和金屬層。預計英特爾將通過Intel 3 擴大其對 EUV 的采用，因此這種差距將隨著時間的推移而縮小。

英特爾近期甫推出第四代Intel Xeon可擴充處理器（代號為Sapphire Rapids），在單一封裝結合最高四個采用Intel 7制程打造的芯片塊，供應資料中心、AI運算等應用。

英特爾先前就已展現在制程技術方面的強烈企圖心與進展計畫，要在四年內大跨步發展五個制程節點，除了已經推出的Intel 7制程外，Intel 4制程產品規畫于今年開始出貨，Intel 3制程將于2023年下半年準備生產。后續Intel 20A制程（相當于2納米）預計將于2024年上半準備量產，而Intel 18A制程原預計2025年初問世，但相關時程已提早到2024年下半可以量產。

04
昂貴的價格

根據DigiTimes報道，臺積電3nm FinFET工藝圓晶目前的每片報價已經突破2萬美元，相比7nm工藝的價格翻倍，相比5nm工藝的漲幅也有25%，并可能在2023年進一步上漲。盡管三星3nm GAA工藝的價格也迎來了上漲，但在價格上還是繼續延續了之前的優勢。

高通的情況則不太相同，長期以來主要是與三星在芯片代工上進行合作，然而在經歷驍龍888和驍龍8 Gen 1連續兩代產品的失敗之后，不得不轉向工藝更成熟的臺積電，以代工驍龍8+ Gen 1和剛發布不久的驍龍8 Gen 2。

除了更高的報價，高通過往更多考慮三星而非臺積電，主要是臺積電更優先滿足蘋果的訂單需求，其次還有與三星旗艦機上采用驍龍芯片的秘密合同，這些可能都是促使高通再次回歸三星代工的原因。

芯片設計廠商對于代工價格上漲不滿，而臺積電也是有苦難言。從成本核算的角度來看，第三方分析機構IBS曾算過一筆賬，晶圓廠在3nm制程的工藝研發投入達到40億美元-50億美元，建一座3納米制程、每月生產4萬片的生產線，成本約為150億美元-200億美元，這還只是晶圓廠的投入。

先進制程芯片的開發費用同樣不遑多讓，其研發費用主要包括芯片設計、IP、EDA、設備等，根據第三方半導體研究機構Semi engineering計算，28納米制程的開發費用大約為5130萬美元，到16納米制程需要投入1億美元，到5納米制程節點，這個費用達到5.42億美元。

根據行業媒體Semianalysis的測算，相較于臺積電5nm制程工藝，目前3nm測試芯片在晶體管密度上提高56%，成本增加了約40%。換算下來，3nm制程工藝芯片的單個晶體管的成本降低約11%，“這幾乎是50 多年來主要工藝技術的最弱擴展”。

這對于芯片設計公司是無論如何都無法接受的，盡管先進制程的利潤豐厚，但投入和風險也更大。尤其是在消費電子市場疲軟的大背景下，芯片廠商大概率不會冒險增加成本去推動芯片制程的升級，未來行業內“擠牙膏”式的產品迭代或將成為常態。


總結

如今，芯片對于整個電子行業的核心作用越發被重視，中國、美國、歐盟都在試圖強化本國的芯片產業，其中先進工藝更是代表了芯片科技的最前沿，3nm之爭既不是開始，也不會是終點。