臺積電官宣3nm正式量產(chǎn)，五年產(chǎn)出1.5萬億美元

【導讀】新廠封頂！臺積電官宣3nm正式量產(chǎn)，高調(diào)辦慶典，最尖端晶圓廠不能去美國建。

近日，臺積電在南部科學園區(qū)的Fab 18新廠，高調(diào)舉行了3nm的大規(guī)模量產(chǎn)及產(chǎn)能擴充儀式。 ? 和過去低調(diào)的作風不同，臺積電這次的擴廠典禮，可以說是歷年最大規(guī)模。 ? ? ? 此次臺積電投資高達605億美元，比在美國亞利桑那州的400億美元投資足足高出了50%，而且美國的3nm，得等到2026年。 ? 在貿(mào)易全球化日益陷入危機的環(huán)境下，臺積電將最先進的3nm技術基地留給了自己。用董事長劉德音的在儀式上致辭的一句話說，這是「臺積電對臺灣的承諾」。 ?

FinFET架構「末代皇帝」：性能提升15%，功耗降低35%

與此前已廣泛部署在蘋果、高通和AMD的產(chǎn)品中的5nm節(jié)點工藝相比，3nm節(jié)點在性能和效率方面有明顯的提升。

臺積電聲稱，基于3nm的N3工藝將實現(xiàn)60%至70%的邏輯密度提升，15%的性能提升，同時比5nm的N5功耗降低30%至35%，并支持新的FINFLEX架構。 ? 由此也實現(xiàn)了自5nm工藝的「全節(jié)點級別」的性能提升。 ? ? ? 值得注意的是，當競爭對手三星正在轉向全門控晶體管設計（RibbonFET）時，臺積電仍堅持使用久經(jīng)考驗的FinFET晶體管架構。 ? 預計在2nm工藝推出之前，新的晶圓廠不會采用RibbonFET設計。 ?

? 不過，最新的N3工藝幾乎沒有提供任何有關SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）的擴展。其儲存單元的面積為0.0199平方微米，與N5的0.021平方微米相比，只小了約5%。 ? 近年來，在芯片設計上非常倚重SRAM來提高性能，目前看這條路線已經(jīng)接近盡頭，今后進一步提升性能、改善功耗，將不得不依靠對架構本身的改進。 ? 按照此前臺積電公布的技術路線圖，N3系列節(jié)點包括N3B、N3E、N3P、N3X和N3S。其中許多是針對特定目的優(yōu)化的小節(jié)點，但有所不同。N3B，即第一代N3，與N3E無關，不如將其視為一個完全不同的節(jié)點。 ? ? ? 由于良率控制不理想，N3B預計產(chǎn)量不大，后續(xù)迭代的時間窗也比較窄。目前很多廠家都在等待更新的N3E節(jié)點。 ? N3E的位單元尺寸為0.021平方微米，與N5完全相同，可能意味著臺積電已經(jīng)基本放棄了SRAM的擴展這條技術路線。N3E在良率控制上比N3B好得多，預計明年年中量產(chǎn)。 ?

? N3P是N3E的后續(xù)節(jié)點，與N5P非常相似，通過優(yōu)化提供較小的性能和功率增益，同時保持IP兼容性。N3X與N4X類似，并針對非常高的性能進行了優(yōu)化。到目前為止，這些后續(xù)技術節(jié)點的功率、性能目標和時間表尚未公布。 ? N3S可能是最終迭代，也是邏輯密度最佳優(yōu)化的節(jié)點，目前具體參數(shù)了解不多，有媒體猜測， N3S 可能會采用Single-Fin Only Library，減低芯片最底層的金屬層高度，在晶體管密度上榨干「最后一滴油」。 ? 對于臺積電來說，N3將是最后一個基于FinFET晶體管的通用節(jié)點，也是一個服務了至少10年的節(jié)點。 ? ? ?

新廠封頂 ：3nm「搖錢樹」五年產(chǎn)出1.5萬億美元

除了宣布3nm成功實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)外，臺積電當天還非常隆重地舉行了晶圓十八廠（Fab 18）第八期的封頂儀式。

臺積電表示，為了擴大3nm芯片的產(chǎn)能，公司將在Fab 18上投入超過1.86萬億新臺幣（605億美元）。 ? ? ? 實際上，臺積電早已為3nm技術和產(chǎn)能擴張奠定了堅實的基礎。 ? 2018年，這家全球最大的合同芯片制造商便計劃花費7000億新臺幣在臺南建造一個「超大型晶圓廠」，也就是晶圓十八廠（Fab 18），來生產(chǎn)5nm芯片。當時，臺積電就曾透露，會保留工廠一半的空間用于生產(chǎn)3nm芯片。 ? 在隨后的2020年，臺積電正式開啟了5nm的量產(chǎn)。 ? 而此次高調(diào)宣布3nm的量產(chǎn)，也是為了逐步替代已經(jīng)推出超過兩年的5nm技術。 ? ? ? 臺積電主要的3nm生產(chǎn)設施：晶圓十八廠（Fab 18） ? 目前，臺積電在Fab 18的第一到第八期中，都配置了高達58,000平方米的大型無塵室，面積約為標準邏輯工廠的兩倍。 ? 臺積電估計，3nm技術在量產(chǎn)的五年內(nèi)創(chuàng)造出價值1.5萬億美元的終端產(chǎn)品。與此同時，3nm在量產(chǎn)第一年帶來的營收貢獻也將高于同期的5nm制程。 ? ? ? 據(jù)臺媒報道，目前3nm的良率推估約落在60%至70%，甚至已超過7成。而另一位產(chǎn)業(yè)分析師則推估，當前臺積電3nm的制程良率，可能約落在75%-80%。 ? 相比起來，三星在今年6月實現(xiàn)的3nm量產(chǎn)，良率實際上不到20%，甚至有些晶圓只有10%的良率，且每片的落差很大，品質不一 。 ? 分析師指出：「這代表三星其實不知道問題到底在哪?！褂捎谥瞥汰h(huán)節(jié)繁復，有時可多達1,000道步驟，要改善良率并非易事。 ?

全球化「已死」，好技術留給自己

在當今的全球市場中，臺積電顯然對公司現(xiàn)在所處的位置很不滿意。

在本月早些時候的一次行業(yè)活動中，臺積電首席執(zhí)行官魏哲家就抱怨說，越來越激烈的地緣政治沖突，使公司不再能夠向全世界出售產(chǎn)品。 ? 就在幾周前，臺積電創(chuàng)始人張忠謀說得更直接，他認為現(xiàn)在全球化和自由貿(mào)易「幾乎已死」。 ? ? ? 從臺積電高層的表態(tài)中不難看出，向外國擴產(chǎn)建廠的巨大風險已經(jīng)是無可逃避的現(xiàn)實，此次在臺灣高調(diào)宣布3nm量產(chǎn)，除了展示技術優(yōu)勢外，可能也是處于規(guī)避風險的考慮。 ? 本月早些時候，臺積電確認，將在美國亞利桑那州鳳凰城建立第二座晶圓廠，2026年上線后將生產(chǎn)3nm芯片。臺積電在2020年宣布在美建設的第一座工廠預計在2024年上線，生產(chǎn)4nm芯片。 ? ? ? 不過，雖然臺積電一直沒有停止在美國擴大產(chǎn)能，還在考慮向歐洲擴張，但更多仍然致力于臺灣地區(qū)，將最先進的技術保留給臺灣地區(qū)的工廠。 ? 而對于美國工廠，按照目前的擴產(chǎn)時間表，美國將在兩年后獲得臺積電4nm工藝技術，在近三年后獲得3nm工藝技術，2nm工藝技術則暫無計劃。 ? 此前，臺積電已經(jīng)在位于新竹和臺灣中部的科技園區(qū)為建設2nm晶圓廠做準備。 ? 就在這次活動上，臺積電宣布，位于新竹科技園的全球研發(fā)中心將于2023年第二季度正式啟用，將配備8000名研發(fā)人員。 ?

臺積電董事長劉德音在儀式上致辭 ? 劉德音表示： 「臺積電在保持其技術領先地位的同時，在臺灣進行了大量投資，繼續(xù)投資并與環(huán)境共同繁榮。這次3nm量產(chǎn)和產(chǎn)能擴張儀式表明，我們正在采取具體行動，在臺灣發(fā)展先進技術和擴大產(chǎn)能。 ? 我們的目標是與上下游供應鏈共同成長，培養(yǎng)未來從設計到制造、封裝測試、設備、材料等方面的人才，為全球提供最具競爭力的先進工藝技術和可靠產(chǎn)能，推動未來的技術創(chuàng)新?！?? 他還表示，此次在臺灣地區(qū)建廠計劃的投資總額將超過605億美元，比臺積電計劃在美國投資的400億美元高出了約50%，這「顯示了臺積電對臺灣的承諾」。 ?

成本雖高，客戶排隊購買

有傳言稱，幾乎所有臺積電最重要的客戶，包括AMD、蘋果、博通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、英偉達和高通都對使用臺積電的N3節(jié)點感興趣。

不過很難說這些廠商何時徹底投身臺積電的3納米浪潮，用在什么產(chǎn)品上。 ? 蘋果可能是「第一個吃螃蟹的」，將臺積電N3技術用于其高端SoC上。同時，AMD打算在其將于2024年推出的基于Zen 5的一些產(chǎn)品中采用N3，而英偉達可能會在其將于同一時間段推出的基于Blackwell架構的下一代GPU中使用N3。 ? ? 然而，最新的N3可不便宜。 ? 一些報道稱，臺積電可能會對使用其3納米級技術加工的每塊晶圓收取高達20,000美元。當然，臺積電的定價取決于諸多因素，如產(chǎn)量、設計和規(guī)格等等。 ?

來源：eet-China ?

同時，昂貴的價格也意味著芯片設計公司會更愿意把臺積電的先進節(jié)點保留給高端產(chǎn)品，而主流設備則采用成熟的制造技術。 ? 比如，蘋果就只在旗艦級的iPhone 14 Pro上搭載了基于臺積電的N4（4nm級）工藝的A16芯片。相比之下，標準版的iPhone 14則依賴于基于N5P技術制造的A15。 ?

參考資料：

https://www.theregister.com/2022/12/29/tsmc_3nm_production_taiwan/

https://www.tomshardware.com/news/tsmc-kicks-off-3nm-production

https://pr.tsmc.com/english/news/2986

編輯：黃飛

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