台積電高調慶祝3納米量產，5年產出1.5萬億美元，最先進技術不能給美國

近日，台積電在南部科學園區的Fab 18新廠，高調舉行了3nm的大規模量產及產能擴充儀式。

和過去低調的作風不同，台積電這次的擴廠典禮，可以說是歷年最大規模。

此次台積電投資高達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。

在貿易全球化日益陷入危機的環境下，台積電將最先進的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「台積電對台灣的承諾」。

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的產品中的5nm節點工藝相比，3nm節點在性能和效率方面有明顯的提升。

台積電聲稱，基於3nm的N3工藝將實現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%，並支援新的FINFLEX架構。

由此也實現了自5nm工藝的「全節點等級」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電晶體設計（RibbonFET）時，台積電仍堅持使用久經考驗的FinFET電晶體架構。

預計在2nm工藝推出之前，新的晶圓廠不會採用RibbonFET設計。

不過，最新的N3工藝幾乎沒有提供任何有關SRAM（靜態隨機存取儲存器）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，在晶片設計上非常倚重SRAM來提高性能，目前看這條路線已經接近盡頭，今後進一步提升性能、改善功耗，將不得不依靠對架構本身的改進。

按照此前台積電公佈的技術路線圖，N3系列節點包括N3B、N3E、N3P、N3X和N3S。其中許多是針對特定目的最佳化的小節點，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點。

由於良率控制不理想，N3B預計產量不大，後續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，可能意味著台積電已經基本放棄了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。

N3P是N3E的後續節點，與N5P非常相似，通過最佳化提供較小的性能和功率增益，同時保持IP相容性。N3X與N4X類似，並針對非常高的性能進行了最佳化。到目前為止，這些後續技術節點的功率、性能目標和時間表尚未公佈。

N3S可能是最終迭代，也是邏輯密度最佳最佳化的節點，目前具體參數瞭解不多，有媒體猜測， N3S 可能會採用Single-Fin Only Library，減低晶片最底層的金屬層高度，在電晶體密度上榨乾「最後一滴油」。

對於台積電來說，N3將是最後一個基於FinFET電晶體的通用節點，也是一個服務了至少10年的節點。

新廠封頂 ：3nm「搖錢樹」五年產出1.5萬億美元

除了宣佈3nm成功實現大規模量產外，台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。

台積電表示，為了擴大3nm晶片的產能，公司將在Fab 18上投入超過1.86萬億新台幣（605億美元）。

實際上，台積電早已為3nm技術和產能擴張奠定了堅實的基礎。

2018年，這家全球最大的合同晶片製造商便計畫花費7000億新台幣在台南建造一個「超大型晶圓廠」，也就是晶圓十八廠（Fab 18），來生產5nm晶片。當時，台積電就曾透露，會保留工廠一半的空間用於生產3nm晶片。

在隨後的2020年，台積電正式開啟了5nm的量產。

而此次高調宣佈3nm的量產，也是為了逐步替代已經推出超過兩年的5nm技術。

台積電主要的3nm生產設施：晶圓十八廠（Fab 18）

目前，台積電在Fab 18的第一到第八期中，都組態了高達58,000平方米的大型無塵室，面積約為標準邏輯工廠的兩倍。

台積電估計，3nm技術在量產的五年內創造出價值1.5萬億美元的終端產品。與此同時，3nm在量產第一年帶來的營收貢獻也將高於同期的5nm製程。

據台媒報導，目前3nm的良率推估約落在60%至70%，甚至已超過7成。而另一位產業分析師則推估，當前台積電3nm的製程良率，可能約落在75%-80%。

相比起來，三星在今年6月實現的3nm量產，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。」由於製程環節繁複，有時可多達1,000道步驟，要改善良率並非易事。

全球化「已死」，好技術留給自己

在當今的全球市場中，台積電顯然對公司現在所處的位置很不滿意。

在本月早些時候的一次行業活動中，台積電首席執行官魏哲家就抱怨說，越來越激烈的地緣政治衝突，使公司不再能夠向全世界出售產品。

就在幾週前，台積電創始人張忠謀說得更直接，他認為現在全球化和自由貿易「幾乎已死」。

從台積電高層的表態中不難看出，向外國擴產建廠的巨大風險已經是無可逃避的現實，此次在台灣高調宣佈3nm量產，除了展示技術優勢外，可能也是處於規避風險的考慮。

本月早些時候，台積電確認，將在美國亞利桑那州鳳凰城建立第二座晶圓廠，2026年上線後將生產3nm晶片。台積電在2020年宣佈在美建設的第一座工廠預計在2024年上線，生產4nm晶片。

不過，雖然台積電一直沒有停止在美國擴大產能，還在考慮向歐洲擴張，但更多仍然致力於台灣地區，將最先進的技術保留給台灣地區的工廠。

而對於美國工廠，按照目前的擴產時間表，美國將在兩年後獲得台積電4nm工藝技術，在近三年後獲得3nm工藝技術，2nm工藝技術則暫無計畫。

此前，台積電已經在位於新竹和台灣中部的科技園區為建設2nm晶圓廠做準備。

就在這次活動上，台積電宣佈，位於新竹科技園的全球研發中心將於2023年第二季度正式啟用，將配備8000名研發人員。

台積電董事長劉德音在儀式上致辭

劉德音表示：

「台積電在保持其技術領先地位的同時，在台灣進行了大量投資，繼續投資並與環境共同繁榮。這次3nm量產和產能擴張儀式表明，我們正在採取具體行動，在台灣發展先進技術和擴大產能。

我們的目標是與上下游供應鏈共同成長，培養未來從設計到製造、封裝測試、裝置、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能，推動未來的技術創新。」

他還表示，此次在台灣地區建廠計畫的投資總額將超過605億美元，比台積電計畫在美國投資的400億美元高出了約50%，這「顯示了台積電對台灣的承諾」。

成本雖高，客戶排隊購買

有傳言稱，幾乎所有台積電最重要的客戶，包括AMD、蘋果、博通、英特爾、聯發科、輝達和高通都對使用台積電的N3節點感興趣。

不過很難說這些廠商何時徹底投身台積電的3納米浪潮，用在什麼產品上。

蘋果可能是「第一個吃螃蟹的」，將台積電N3技術用於其高端SoC上。同時，AMD打算在其將於2024年推出的基於Zen 5的一些產品中採用N3，而輝達可能會在其將於同一時間段推出的基於Blackwell架構的下一代GPU中使用N3。

然而，最新的N3可不便宜。

一些報導稱，台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，台積電的定價取決於諸多因素，如產量、設計和規格等等。

來源：eet-China

同時，昂貴的價格也意味著晶片設計公司會更願意把台積電的先進節點保留給高端產品，而主流裝置則採用成熟的製造技術。

比如，蘋果就只在旗艦級的iPhone 14 Pro上搭載了基於台積電的N4（4nm級）工藝的A16晶片。相比之下，標準版的iPhone 14則依賴於基於N5P技術製造的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

本文來自微信公眾號“新智元”（ID:AI_era），作者：David 好困，36氪經授權發佈。

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