為爭奪晶圓代工頭把交椅的競賽已趨白熱化，台積電和三星都不惜撒下重金來獲得工藝上的領先。 但是，在雙方全力爭奪的3nm工藝節點開發上，近期卻相繼有開發遇阻的消息傳來。 在先進工藝已逼近物理極限之時，每進一步都要突破層層阻力。 晶圓代工之間的爭奪，不單是資金投入的比拼，還是與時間的一場賽跑。

與時間賽跑

蘋果iPhone下一代的處理器無法採用台積電的3nm（N3）工藝了。 這是台積電近期正式確認的消息，N3工藝的量產將會延遲3到4個月。 而據相關媒體報導，三星的3nm開發也遇到了問題，其GAA工藝仍面臨著漏電等關鍵技術問題。

按照之前的規劃，台積電的3nm工藝將在2022年第三季度實現量產。 3nm的具體量產時間是與客戶共同協商決定的，台積電總裁魏哲家此前這樣表示。 蘋果是台積電3nm工藝的首批客戶，後有傳聞英特爾也成為了嘗鮮者，其GPU和伺服器晶元將採用3nm工藝。 不過，這一傳聞在英特爾架構日上被破除，N5和N6將是台積電為其代工的首要工藝。

這一選擇不能直接說明N3工藝的進展問題，但結合工藝進展延遲的消息，多少還是讓人意外的。 畢竟在4月15日的法說會上，台積電還表示N3已經提前至3月開始風險行試生產，並小量交貨，進度優與原先預期。

局外人很難知道延遲的真正原因，可以看到的是工藝進展的不易。 業界知名專家莫大康就表示：「從N5向N3不是單一的光刻尺寸的縮小，涉及器件架構、互連金屬等，出現工藝延遲正常，要摸索工藝，需要通過更多的矽片生產來積累經驗。 ”

圖 台積電的工藝進展

三星方面也面臨著類似的問題。 早在2019年三星就公佈了3nm GAA工藝的PDK物理設計套件標準，預計3nm GAA工藝會在2020年底試產，2021年實現量產。 目前看來，這一目標是遠不能達成了。 按照三星在今年6月完成3nm晶元Tapeout（流片）的進度來看，2022年將是其量產的初步時間。

圖 三星的工藝進展

不過一些英文媒體不看好三星能在2023年之前實現量產，依據就是疫情導致3nm工藝所需的極紫外光刻機（EUV）和其他關鍵生產設備的交付延期，進而推遲了量產的時間。

三星當初選擇GAA工藝，就是因為想通過提前佈局，在3nm節點實現彎道超車。 三星的3nm GAA工藝分為 3GAAE / GAAP （3nm Gate- AlI-Around Early/Plus） 兩個階段，被業界認為真正成熟的將是GAAP工藝，GAAE將可能只是用於自己的晶元上。

與之相比，台積電繼續在3nm節點選擇FinFET工藝，則是考慮到可以繼續挖掘現有工藝的優勢，在三星之前實現量產。 有業內人士就指出，台積電在GAA架構的開發上落後三星12至18個月，因而積極推進的3nm FinFET策略可以彌補這一劣勢。

因此，三星的3nm工藝如果不能在2023年之前實現量產獲得客戶訂單，那麼將在代工領域處於不利地位。 同理，台積電如果不能在時間上取得領先，也將面臨被動的局面。

對於雙方來說，都是一場與時間的賽跑。

要跨越技術鴻溝

3nm工藝的量產實現就像跨越鴻溝一樣。 就以光刻為例，晶圓代工廠希望盡可能地實現EUV單次曝光，因為這將可以簡化工藝。 然而，EUV單次曝光實現的間距極限是32nm到30nm 間，對應著5nm左右的工藝節點。 要進展到3nm工藝，晶元製造商就要尋找新的方案。 第一個選擇就是EUV雙曝光，第二選擇是開發高數值孔徑（NA）EUV 掃描器，這是一個全新的系統。 ASML的高數值孔徑EUV系統採用新的0.55數值孔徑透鏡，解析度提升了70%，仍在研發階段。

高NA EUV系統複雜且昂貴，並且給晶圓廠中引入很多風險。 此外，該系統不會為2022年的3nm初始階段做好準備。 根據最新的消息，這種新光刻機要在2025-2026年之間才能規模應用。 因此，晶圓代工廠可能別無選擇，只能採用EUV雙曝光的方法。 在雙曝光方案中，晶元分割在兩個掩模上並列印在晶圓上，既增加成本又會影響良率。

這還僅是開發3nm所面對的共同挑戰，考慮到台積電和三星所採取的不同工藝路徑，其各自都將面對不同的障礙。

台積電要將FinFET工藝從5nm遷移到3nm，就在理論上挑戰了FinFET工藝的極限。 在進入3nm之後，FinFET晶體管的鰭片難以在本身材料內部應力的作用下維持直立形態，尤其是在能量更高的EUV製程導入之後，這樣的狀況會更為嚴重。 三星面臨的困難也不少， GAA則是全新的架構，器件參數的不確定性會更大，很多影響將難以預估。

技術挑戰之外，3nm工藝還將面對巨大的成本壓力。 IBS Research 2019 年的一份報告預測，雖然3nm晶元的每晶體管成本將降低，但晶圓和晶元模具的總體成本將增加。 IBS在其研究中估計，10億個晶體管部分的單個晶體管部分將達到2.16美元，低於5nm工藝的2.25美元。 不過，3nm單片晶圓的成本為15，500美元，比5nm增加3，000美元，模具將比上一代的23.57美元高出30.45美元。 此外，由於3nm預計將採用25層EUV光罩，因為代工價格將可能達到30，000美元。 考慮到不是每個客戶都能承受，因此台積電正評估啟動持續改善計劃（Coutinuous Improvement Plan），推出改款版3nm，通過減少EUV光罩層數、略增加晶元尺寸，降低成本、提高良率，提供客戶兼具性能和成本的解決方案。

所以，3nm的開發也就成了一場金錢投入的競賽。 三星表示，到2030年邏輯晶元投入將達1，077億美元。 台積電也將資本支出以一調再調，由原來的250-280億美元調整到300億美元，其中80%將用於3nm、5nm等先進製程。

好在憑藉多年形成的口碑，台積電的3nm沒有量產卻已經訂單排滿，蘋果、AMD都先後預約了明後年的產能。 按照台積電的說法，HPC的潛在客戶和智慧手機領域對N3的興趣都很大。 此前的規劃中，3nm正式量產時的初期月產能為5.5萬片，2023年月產能可達10.5萬片。 如果這些產能都被預定一空，台積電將在3nm代工市場再次擁有領先優勢。

不過，三星的情況也稍顯特殊。 與專心做代工業務的台積電不同，三星是一個IDM公司，其總產能多為自己使用。 2020年，三星將其晶圓代工廠產的60%用於內部使用，主要用於智能手機的Exynos晶元。 其餘產能來自非專屬客戶，高通佔20%，其餘20%來自Nvidia，IBM和英特爾。 如果3nm工藝實現量產，靠其內部還是能消化很大一部分產能的。 現在唯一要注意的就是不能再出現失誤，拖延量產進度。

不過，3nm工藝進展表面是兩強的競爭，實則是整個產業鏈的跟進。 正如莫大康所指出，3nm是一個焦點，不能僅靠台積電、三星的推進，最終還要看製造商和設備商等產業鏈各個環節的努力。

（校對/艾禾）