3nm，手机芯片的全新战争
不管喜不喜欢今年的iPhone15，大概都会认可一件事，很多人选择购买iPhone15Pro系列的一大动机，就是冲着台积电3nm工艺的A17Pro。
A17Pro采用了台积电最新的3nm工艺（N3B）制造，晶体管数量达到了惊人的190亿，这是全世界*款采用台积电3nm工艺的手机芯片，也是3nm工艺*次出现普通人就可以买到的大众消费品上。
要知道，随着芯片尺寸越来越逼近物理极限，每一代工艺节点升级需要投入也在加速增加，仅台积电一家的3nm新增投入就超过了200亿美元。
巨大的投入意味着巨大的成本，尤其是在前期工艺尚不成熟、良率较低的情况下，没有多少行业和公司能够负担3nm芯片的制造成本。
这其中，智能手机一直是最有实力和动力推动先进制程工艺不断前进的力量。
一方面是因为智能手机需要在极小的内部空间里塞下算力惊人的芯片，同时还要极可能降低芯片的功耗和发热；
另一方面是芯片制造太烧钱，也只有一年就能卖出十多亿台的智能手机可以形成规模效应，不断推动先进制程改进工艺、提高良率，得以让服务器、PC、游戏主机甚至是汽车用上更先进的芯片制造技术。
但更大的投入、更先进技术是不是就等同于「正确」？可能也未必，iPhone15Pro系列的散热风波还没有过去，关于良率或者说成本的拷问，也一直是3nm上空的「乌云」。
01良率和成本，3nm的一朵「乌云」
10月9日，《科创板日报》引述业内行业分析称，三星、台积电的3nm工艺良率目前都在50%左右。一位接近三星的人士还透露，要赢得高通等大客户明年的3nm移动芯片订单，良率至少需要提高到70%。
在半导体制造上，良率直接意味着一整片加工出来的晶圆上能正常工作的芯片的占比。通常来说，一片晶圆上可以同时制造出上百颗同样的裸芯片，之后将晶圆片上的裸芯片切割开来，就可以封装后安装到产品上。
在成熟工艺上，代工厂的良率一般都能达到99%，但在先进制程上，由于工艺难度和前期的大量问题，良率就可能非常低。但按照惯例，代工厂并不负责承担不良芯片的制造成本，这部分费用还是由芯片设计客户承担，比如苹果、英伟达。
当然，「50%的良率」未必可信，此前就有大量各种来源的信息给出了各不相同的良率，包括A17Pro从产业链传出的良率就为70-80%。但这些消息无一例外，都透露出一个关键信息，即3nm的良率很低。
良率越低，成本越高。
这也是为什么除了苹果，其他所有主要芯片设计公司都没有选择在2023年这个节点采用3nm工艺，更多还是瞄准N3B之后的工艺。按照台积电早前的规划，台积电3nm工艺其实是包括N3B（即N3）、N3E、N3P、N3X等多个版本。
甚至在业界传闻中，就连苹果也是与台积电签订了一份「对赌」协议，规定未来一年台积电N3B工艺为苹果专用，且废片均由台积电承担成本，而非苹果买单。
而如果说良率很大程度上决定了3nm的成本居高不下，进而提高了芯片设计公司导入的门槛，那3nm的功耗和发热问题，也是阻止他们较早导入的关键原因。
02发热和功耗，3nm的另一朵「乌云」
iPhone15Pro系列的发热问题这里就不再赘述了，我们之前就在文章中分析，iPhone15Pro系列发热的「罪魁祸首」就是设计和芯片两大部分，后者自然就是采用3nm工艺的A17Pro。
坦率地说，iPhone15Pro的发热到底有多大程度是因为A17Pro，A17Pro的问题有多大程度是因为台积电N3工艺，目前来讲都还没有比较切实的论断。
但问题一定是有的。按照苹果给出的数据，A17Pro的晶体管数量为190亿，比前代A16增加了近20%，CPU性能却只提升了约10%，GPU核心数从5个增加到6个的同时，峰值性能提升了20%。不过按照GeekBench数据来看，峰值性能大幅提高的另一面，是A17ProTDP峰值功率达到了惊人的14W。
这不只是苹果和台积电面对的问题。
随着晶体管尺寸不断逼近物理极限，量子隧穿效应带来的问题也越发严重，失控的电子引发的漏电，会导致芯片更严重的发热和功耗问题。所以从7nm以后，整个业界的「制程焦虑」越发明显，对摩尔定律新出路的探索越发加快。
当然回到3nm上，台积电和三星也不是毫无准备的。
03N3E才是台积电真正的3nm，三星押宝GAA
相比A17Pro上采用的N3B工艺，N3E是台积电计划推出的一个完全不同的工艺节点，在功耗控制方面更加理想。
台积电不仅用上了「创新的阻挡工艺」，更重要的是FINFLEX技术的导入，让芯片设计人员可以在一个模组内混搭不同的标准单元，实现同时优化性能、功耗和面积。包括N3P、N3X、N3AE、N3S等工艺节点，实际都是N3E的后续变体。
而且从过去半年的消息来看，普遍指出N3E的良率要好于N3B，一份文件显示，N3E256MbSRAM平均良率达到80%，Mobile与HPC芯片的良率也达80%。此前，也一直存在台积电考虑放弃N3B节点，推迟到N3E节点正式进入3nm的传闻。
9月7日，联发科与台积电共同宣布，联发科*采用台积电3纳米制程生产的天玑旗舰芯片已经成功流片，该款天玑旗舰芯片将于2024年下半年上市。基本确定，这款天玑旗舰芯片（天玑9400）采用了台积电N3E工艺，而官方透露：
台积电N3E工艺的逻辑密度相比N5工艺增加了约60%，在相同功耗下速度提升18%，或者在相同速度下功耗降低32%。
相比之下，去年年末的IEDM（IEEE国际电子器件大会）上，台积电披露N3B工艺实际只将SRAM密度提高了约5%（相比N5工艺），与其最初声称的20%也是相去甚远。
另外，9月底业内又传出英伟达也下单了台积电3nm制程，以生产Blackwell构架B100数据中心GPU，预计将采用更侧重性能增强的N3P或N3X工艺。
可以这么说，N3E及其变种对于大多数芯片厂商来说，才是真正的3nm。
而在三星这边，去年6月就率先宣布了在3nm成功应用GAAFET技术。GAAFET的正式名称是全环绕栅极晶体管（Gate-All-AroundFET），架构上最明显的变化在单位面积内的利用效率。
众所周知，计算性能*层其实就是晶体管的「一开一关」，代表了二进制中的「0」和「1」，更底层是对晶体管内通道（又称沟道）的控制能力。FinFET*次将通道从横向转为竖向，而三星采用了宽通道（纳米片）的GAAFET技术，在单位面积内支持更多通道的控制，由此得以实现了：
与5nm工艺相比，*代3nm工艺可以使功耗降低45%，性能提升23%，芯片面积减少16%；而第二代3nm工艺则使功耗降低50%，性能提升30%，芯片面积减少35%。（注：三星第二代3nm也要等到明年。）
相比台积电还在用的FinFET技术，GAA拥有更好的静电控制能力。法国信息技术电子实验室高级集成工程师SylvainBarraud也指出：「与FinFET相比，GAA堆叠的纳米线还具有更高的有效沟道宽度，能够提供更高的性能。」
事实上，台积电和英特尔也早早宣布将在2nm节点正式导入GAA技术，之所以没有在3nm节点，主要顾虑还是技术成熟度不高带来的良率问题，三星GAA3nm此前就多次传出严重的良率问题，甚至是在宣布量产后找上美国SiliconFrontlineTechnology公司，合作提高3nmGAA工艺的良率。
所以对三星来说，关键还是在于保持3nmGAA能效优势的同时，如何尽可能地提高良率。
写在最后：
时至今日，所有人都明白，在物理尺寸上极其微小的芯片，在现实世界是何等的重要，而芯片上的每一寸进步，实质上也会推动全世界算力的大幅提升，这也是过去几十年人类科技进步的主要动力之一。
与1nm之后的未来相比，3nm目前遇到的问题既不困难也不意外，晶圆厂早就有所预想和准备。但即便是芯片制程无限逼近物理极限的几年后，从来也没有什么无解的问题。
大规模集成电路兴起的时候，糟糕良率一度让很多公司失去了信心，但还是仙童半导体、德州仪器等公司将芯片制造车间换成了无尘的超净间，进入的人都要穿上极其严密的防护服，确保灰尘、汗液和毛发不会损坏脆弱的晶圆，实现了足够高的良率。
MOS管（场效应晶体管）接近性能极限的时候，很多人也认为晶体管不能再变小，芯片性能提升到了尽头。但最终，FinFET架构继续推动了芯片技术的前进。
2019年，在台积电内部举办的运动会上，台积电创始人张忠谋被媒体问到了摩尔定律是否走到尽头时，他认为这个问题的答案，沒有人知道，因为后面至少还有5nm、3nm和2nm的技术。但他相信，摩尔定律的未来会是：
山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。
【本文由投资界合作伙伴微信公众号：雷科技授权发布，本平台仅提供信息存储服务。】如有任何疑问，请联系（editor@zero2ipo.com.cn）投资界处理。