台积电高调庆祝3纳米量产，5年产出1.5万亿美元，最先进技术不能给美国

近日，台积电在南部科学园区的 Fab 18 新厂，高调举行了 3nm 的大规模量产及产能扩充仪式。

和过去低调的作风不同，台积电这次的扩厂典礼，可以说是历年最大规模。

此次台积电投资高达 605 亿美元，比在美国亚利桑那州的 400 亿美元投资足足高出了 50%，而且美国的 3nm，得等到 2026 年。

在贸易全球化日益陷入危机的环境下，台积电将最先进的 3nm 技术基地留给了自己。用董事长刘德音的在仪式上致辞的一句话说，这是「台积电对台湾的承诺」。

FinFET 架构「末代皇帝」：性能提升 15%，功耗降低 35%

与此前已广泛部署在苹果、高通和 AMD 的产品中的 5nm 节点工艺相比，3nm 节点在性能和效率方面有明显的提升。

台积电声称，基于 3nm 的 N3 工艺将实现 60% 至 70% 的逻辑密度提升，15% 的性能提升，同时比 5nm 的 N5 功耗降低 30% 至 35%，并支持新的 FINFLEX 架构。

由此也实现了自 5nm 工艺的「全节点级别」的性能提升。

值得注意的是，当竞争对手三星正在转向全门控晶体管设计（RibbonFET）时，台积电仍坚持使用久经考验的 FinFET 晶体管架构。

预计在 2nm 工艺推出之前，新的晶圆厂不会采用 RibbonFET 设计。

不过，最新的 N3 工艺几乎没有提供任何有关 SRAM（静态随机存取存储器）的扩展。其储存单元的面积为 0.0199 平方微米，与 N5 的 0.021 平方微米相比，只小了约 5%。

近年来，在芯片设计上非常倚重 SRAM 来提高性能，目前看这条路线已经接近尽头，今后进一步提升性能、改善功耗，将不得不依靠对架构本身的改进。

按照此前台积电公布的技术路线图，N3 系列节点包括 N3B、N3E、N3P、N3X 和 N3S。其中许多是针对特定目的优化的小节点，但有所不同。N3B，即第一代 N3，与 N3E 无关，不如将其视为一个完全不同的节点。

由于良率控制不理想，N3B 预计产量不大，后续迭代的时间窗也比较窄。目前很多厂家都在等待更新的 N3E 节点。

N3E 的位单元尺寸为 0.021 平方微米，与 N5 完全相同，可能意味着台积电已经基本放弃了 SRAM 的扩展这条技术路线。N3E 在良率控制上比 N3B 好得多，预计明年年中量产。

N3P 是 N3E 的后续节点，与 N5P 非常相似，通过优化提供较小的性能和功率增益，同时保持 IP 兼容性。N3X 与 N4X 类似，并针对非常高的性能进行了优化。到目前为止，这些后续技术节点的功率、性能目标和时间表尚未公布。

N3S 可能是最终迭代，也是逻辑密度最佳优化的节点，目前具体参数了解不多，有媒体猜测， N3S 可能会采用 Single-Fin Only Library，减低芯片最底层的金属层高度，在晶体管密度上榨干「最后一滴油」。

对于台积电来说，N3 将是最后一个基于 FinFET 晶体管的通用节点，也是一个服务了至少 10 年的节点。

新厂封顶 ：3nm「摇钱树」五年产出 1.5 万亿美元

除了宣布 3nm 成功实现大规模量产外，台积电当天还非常隆重地举行了晶圆十八厂（Fab 18）第八期的封顶仪式。

台积电表示，为了扩大 3nm 芯片的产能，公司将在 Fab 18 上投入超过 1.86 万亿新台币（605 亿美元）。

实际上，台积电早已为 3nm 技术和产能扩张奠定了坚实的基础。

2018 年，这家全球最大的合同芯片制造商便计划花费 7000 亿新台币在台南建造一个「超大型晶圆厂」，也就是晶圆十八厂（Fab 18），来生产 5nm 芯片。当时，台积电就曾透露，会保留工厂一半的空间用于生产 3nm 芯片。

在随后的 2020 年，台积电正式开启了 5nm 的量产。

而此次高调宣布 3nm 的量产，也是为了逐步替代已经推出超过两年的 5nm 技术。

台积电主要的 3nm 生产设施：晶圆十八厂（Fab 18）

目前，台积电在 Fab 18 的第一到第八期中，都配置了高达 58,000 平方米的大型无尘室，面积约为标准逻辑工厂的两倍。

台积电估计，3nm 技术在量产的五年内创造出价值 1.5 万亿美元的终端产品。与此同时，3nm 在量产第一年带来的营收贡献也将高于同期的 5nm 制程。

据台媒报道，目前 3nm 的良率推估约落在 60% 至 70%，甚至已超过 7 成。而另一位产业分析师则推估，当前台积电 3nm 的制程良率，可能约落在 75%-80%。

相比起来，三星在今年 6 月实现的 3nm 量产，良率实际上不到 20%，甚至有些晶圆只有 10% 的良率，且每片的落差很大，品质不一 。

分析师指出：「这代表三星其实不知道问题到底在哪。」由于制程环节繁复，有时可多达 1,000 道步骤，要改善良率并非易事。

全球化「已死」，好技术留给自己

在当今的全球市场中，台积电显然对公司现在所处的位置很不满意。

在本月早些时候的一次行业活动中，台积电首席执行官魏哲家就抱怨说，越来越激烈的地缘政治冲突，使公司不再能够向全世界出售产品。

就在几周前，台积电创始人张忠谋说得更直接，他认为现在全球化和自由贸易「几乎已死」。

从台积电高层的表态中不难看出，向外国扩产建厂的巨大风险已经是无可逃避的现实，此次在台湾高调宣布 3nm 量产，除了展示技术优势外，可能也是处于规避风险的考虑。

本月早些时候，台积电确认，将在美国亚利桑那州凤凰城建立第二座晶圆厂，2026 年上线后将生产 3nm 芯片。台积电在 2020 年宣布在美建设的第一座工厂预计在 2024 年上线，生产 4nm 芯片。

不过，虽然台积电一直没有停止在美国扩大产能，还在考虑向欧洲扩张，但更多仍然致力于台湾地区，将最先进的技术保留给台湾地区的工厂。

而对于美国工厂，按照目前的扩产时间表，美国将在两年后获得台积电 4nm 工艺技术，在近三年后获得 3nm 工艺技术，2nm 工艺技术则暂无计划。

此前，台积电已经在位于新竹和台湾中部的科技园区为建设 2nm 晶圆厂做准备。

就在这次活动上，台积电宣布，位于新竹科技园的全球研发中心将于 2023 年第二季度正式启用，将配备 8000 名研发人员。

台积电董事长刘德音在仪式上致辞

刘德音表示：

「台积电在保持其技术领先地位的同时，在台湾进行了大量投资，继续投资并与环境共同繁荣。这次 3nm 量产和产能扩张仪式表明，我们正在采取具体行动，在台湾发展先进技术和扩大产能。

我们的目标是与上下游供应链共同成长，培养未来从设计到制造、封装测试、设备、材料等方面的人才，为全球提供最具竞争力的先进工艺技术和可靠产能，推动未来的技术创新。」

他还表示，此次在台湾地区建厂计划的投资总额将超过 605 亿美元，比台积电计划在美国投资的 400 亿美元高出了约 50%，这「显示了台积电对台湾的承诺」。

成本虽高，客户排队购买

有传言称，几乎所有台积电最重要的客户，包括 AMD、苹果、博通、英特尔、联发科、英伟达和高通都对使用台积电的 N3 节点感兴趣。

不过很难说这些厂商何时彻底投身台积电的 3 纳米浪潮，用在什么产品上。

苹果可能是「第一个吃螃蟹的」，将台积电 N3 技术用于其高端 SoC 上。同时，AMD 打算在其将于 2024 年推出的基于 Zen 5 的一些产品中采用 N3，而英伟达可能会在其将于同一时间段推出的基于 Blackwell 架构的下一代 GPU 中使用 N3。

然而，最新的 N3 可不便宜。

一些报道称，台积电可能会对使用其 3 纳米级技术加工的每块晶圆收取高达 20,000 美元。当然，台积电的定价取决于诸多因素，如产量、设计和规格等等。

来源：eet-China

同时，昂贵的价格也意味着芯片设计公司会更愿意把台积电的先进节点保留给高端产品，而主流设备则采用成熟的制造技术。

比如，苹果就只在旗舰级的 iPhone 14 Pro 上搭载了基于台积电的 N4（4nm 级）工艺的 A16 芯片。相比之下，标准版的 iPhone 14 则依赖于基于 N5P 技术制造的 A15。

参考资料

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

本文来自微信公众号 " 新智元 "（ID:AI_era），作者：David 好困