近期三星電子宣布, 基於3納米（nm）全環繞柵極(Gate-All-AroundT,簡稱GAA)製程工藝節點的芯片已經開始初步生產。而另外一邊的台積電的3nm（N3）官方量產時間預計是在2022年下半年。這樣看起來三星似乎在3nm這個工藝節點上超過了台積電，那麼三星的3nm技術真的超過了台積電嗎？

工藝名稱只是個名字

在一些人眼中看來，半導體工藝名稱中的數字越小，工藝就越好。由此他們認為三星首發3nm工藝是在半導體製造技術上超過了台積電，但這種看法其實並不正確。

首先半導體工藝名稱中的數字越小往往代表著晶體管尺寸小（晶體管密度高）在芯片面積相同的情況下，晶體管尺寸越小就意味著芯片中可以塞下更多的晶體管。而晶體管數量越多就可以讓芯片具備更多的功能或者更強的性能。

這裡可能有人會誤解，如果按照這個邏輯不就是“工藝名稱中的數字越小，工藝就越好”。但是這裡面有一個特殊情況在於，近幾年的工藝（例如7nm、5nm），每個晶圓廠對於工藝的命名都是“各吹各的號，各唱各的調”，沒有統一的業界標準。

我們用手機的命名方式舉個例子：

蘋果的手機命名方式是逐代+1，就比如蘋果在2021年發布了iPhone 13，那麼下一代iPhone很可能就叫iPhone14，再下一代則為iPhone15。

而華為p系列手機的命名方式是逐代+10，比如2018年發布的華為P20、2019年發布的華為P30、2020年發布的華為p40、還有之後的華為p50。

一般來說新款手機相較老款手機肯定會提供更多的功能和更強大的性能，所以對於iPhone系列手機則可以認為：在性能上iPhone15＞iPhone14＞iPhone13。對於華為手機根據一般經驗也可以認為p30比p20強。

那麼這時候我們能否根據“20＞13”,所以得出結論“2018年發布的華為P20性能比iPhone13強”呢？這樣的結論顯然是荒唐的。由於手機廠商命名的方式不同，不同品牌的手機根據“手機名稱”進行對比是沒有意義的。

而對於半導體行業，也有著類似的問題。由於工藝的命名沒有統一的業界標準，時常會給一些外界人士帶來誤解。就比如三星發布了3nm工藝，說3nm工藝在很多方面強於5nm工藝。而台積電這邊量產的是5nm，所以很多人據此誤解三星超過了台積電。

實際上三星所想表述的應該是：三星的3nm工藝在很多方面強於三星的5nm工藝。至於是否強於台積電的5nm工藝，他沒說。

晶體管密度與工藝命名註水

對於了解半導體行業的朋友來說，摩爾定律應該是比較熟悉了。摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談，他發現每隔18-24個月，芯片上晶體管數目就增加一倍。

如果按照摩爾定律對工藝命名的話，那麼就是每一代新工藝相較舊工藝晶體管密度翻倍。就比如說10nm工藝晶體管密度理應是14nm工藝的2倍，7nm工藝晶體管密度理應是10nm工藝的2倍。

這種命名方式在22nm之前還是有效的，但是到了近幾年晶體管密度翻倍變得非常困難，所以各家開始以自己的方式命名半導體工藝。也就是說晶體管密度有所提升就可以命名為下一代半導體工藝。

比如三星在描述自家第一代3nm工藝時就說“與5納米（nm）工藝相比，第一代3納米（nm）工藝可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面積減少16%”。芯片面積只減少16%顯然不是一個晶體管密度翻倍的數據。

這樣“有提升就可以按下一代工藝命名”的方式使得不同廠商之間同樣名稱的工藝差異巨大。

三星與台積電

既然晶體管密度與工藝名稱在一定程度上相關，那麼我們就可以依靠“晶體管密度”這個關鍵參數針對不同廠商之間的工藝進行非常粗略的對比。（同一工藝往往具備多個庫，按密度最高的計算）

根據ScottenJones（ICKnowledge，viaSemiwiki）和DavidSchor（WikiChipFuse）的數據我們可以得知三星5nm工藝（5LPE）的晶體管密度大約為126.5，台積電5nm工藝（N5）的晶體管密度大約為173.1。

在三星的官方宣傳中提到“與5納米（nm）工藝相比，第一代3納米（nm）工藝可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面積減少16%；而第二代3納米（nm）工藝則使功耗降低50%，性能提升30%，芯片面積減少35%。”據此我們可以計算出三星第一代3nm工藝（3GAE）晶體管密度大約為150.6，三星第二代3nm工藝（3GAP）晶體管密度大約為194.6。

而在台積電的官方宣傳中提到“相較於N5製程技術，N3製程技術的邏輯密度將增加約70%，在相同功耗下速度提升10-15%，或者在相同速度下功耗降低25-30%。” 據此我們可以計算出台積電3nm工藝（N3）晶體管密度大約為294.3。

綜上所述，如果單從晶體管密度的角度來看，台積電的5nm工藝是明顯強於三星的第一代3nm工藝，而三星的第二代3nm工藝才開始真正超過了台積電的5nm工藝。而台積電預計今年出產的3nm工藝的晶體管密度則大幅超過了三星第二代3nm工藝。

結語

1.三星雖然宣稱基於3nm工藝的芯片已經開始初步生產，但是並未公佈首批出貨的3nm芯片的客戶名單。如果本次出貨的芯片採用的是三星第一代3nm工藝（3GAE），那麼三星在工藝進展上其實是不如台積電的。畢竟台積電那邊晶體管密度更高的5nm工藝早已出貨，而且還有蘋果、AMD等大客戶的支持。

2.三星的3nm採用的是GAA結構，而台積電的3nm採用的是FinFET。新結構往往能帶來性能、功耗方面的優勢，但往往第一次使用新結構的工藝在一些參數上表現不會很好。對於三星而言就是第一代3nm工藝（3GAE）晶體管密度較低，但在PPA（Performance性能、Power功耗、Area尺寸）方面應該是可以超過台積電5nm工藝。而到了第二代3nm工藝，這些方面就會有所改善。

對於台積電而言，使用更加熟悉的FinFET結構雖然不用承受這些問題，但FinFET結構在晶體管密度方面快要走向極限了。如果堅持FinFET結構，越往後走研發過程就會越難。台積電如果要維持當前的晶體管密度設計，由於研發困難很有可能會出現延期的情況，或者他會推出一個晶體管密度稍低的工藝版本。

3.三星能否超過台積電還是要看大客戶的站隊情況。如果說在台積電3nm工藝量產前，三星第二代3nm工藝（3GAP）有大客戶使用的話，那麼三星就真的超過了台積電。