“3纳米制程之战，谁能赢？”

英特尔不服。 3纳米真的是3纳米吗？

在汽车芯片匮乏而人头攒动的情况下，台湾积体电路制造( tsmc )与三星电子的3纳米芯片制造工程之战达到了紧要关头。

最近，有报道称，台湾积体电路制造再次发布了提高3纳米工艺生产能力的消息。 作为苹果的主要芯片供应商，台湾积体电路制造有望在今年下半年开始试制和生产3纳米工艺芯片。

事实上，截至去年中期，台湾积体电路制造已经公布了提高3纳米工艺生产能力的计划，2022年将3纳米工艺的月生产能力提高到5.5万元，2023年将生产能力进一步扩大到10.5万元。 此外，台湾积体电路制造计划在今年内扩大5纳米芯片的生产能力，以满足主要顾客日益增长的诉求。

与5纳米工艺芯片相比，3纳米芯片在功耗和性能方面分别提高了30%和15%。 这是科技企业等待台湾积体电路制造晶片的理由之一。 但是，这场竞争的进程局限在哪里？

3纳米的极限

晶片真是个好生意。 据调查机构ic insights估计，年台湾积体电路制造的每片晶片收益达到1，634美元，居同行首位。 台湾积体电路制造比格罗丰984美元高出约66%，比中芯684美元和联电675美元高出1倍以上。

由于台湾积体电路制造是去年全球独家生产7纳米和5米工艺晶片的替代工厂，据ic insights估计，年收益超过10亿美元的ic设计工厂共有16家在等待台湾积体电路制造的新产品，这也推动了晶片的收益急剧增加

除5纳米外，台湾积体电路制造发挥力量的是最先进的3纳米工艺技术。 其实，早在去年9月29日，台湾积体电路制造就宣布未来3纳米( nm )工艺晶圆厂将涉足台湾台南市南部科学工业园区(简称“南科”)，当时预计最快将于2022年量产。

目前，台湾积体电路制造在南科有3家晶片制造商，分别为晶片14家工厂、晶片18家工厂、晶片6家工厂。 其中，14家工厂和18家工厂为12英寸晶片，6家工厂为8英寸晶片。 晶片18工厂是5纳米工艺的主要生产基地。 台湾积体电路制造3纳米工艺的晶片制造商也建在18家工厂内。

年第一季度，台湾积体电路制造宣布，3纳米工艺将于2021年试制，2022年下半年正式量产。 目前宣布提高生产能力，一方面是诉求的大力推进，另一方面也是技术方面的持续提高。 从技术投入来说，台湾积体电路制造董事长刘德音曾表示，为了3纳米工艺技术，台湾积体电路制造南科工厂的累计投资将超过新台币2万亿元(约4630亿元)。

在通往3纳米跑的道路上，台湾积体电路制造的竞争对手三星宣布，3纳米将于2019年5月上市。 英特尔将于2025年上市。 只是，之后由于年疫情的影响，三星的3纳米工艺的上市时间推迟到了2022年。

说起intel，对于台湾积体电路制造10纳米以下的工艺是一个非常微妙的词，intel认为台湾积体电路制造和三星取代了概念。 因为，业界所说的“工艺是网格的宽度”，在节点技术的发展中，工艺的数字偏离了网格的实际宽度。 也就是说，网格的实际宽度越来越达不到流程中所说的数字。

所以，这些都成了营销游戏。 自从三星戴上了这个坏头，台湾积体电路制造也就这么玩了。 2019年，台湾积体电路制造研发负责人黄汉森也表示:“目前，说明工艺水平的xxnm学说已经不科学了。 这是因为与晶体管门并不是绝对的关联，过程节点已经成为市场营销游戏，和技术本身的特征没有太大关系。”

但是，这个游戏必须进行下去。 根据ieee国际装置和系统的快速发展路线图，预计3纳米工艺将于2024年量产，接班人为2.1纳米( 2027 )、1.5纳米) 2030 )、1纳米) 2033 ) 台湾积体电路制造和英特尔都计划将2纳米作为3纳米之后的工艺，台湾积体电路制造计划2024年量产，英特尔计划2027年发售。

正如您所见，英特尔2025年量产3纳米似乎相对现实。 从摩尔定律迅速发展的终极来说，intel的路线图表明1.4纳米( 2029年)是2纳米的继承人，台湾积体电路制造也将在之后迅速发展到1纳米。 无论如何，燃烧这笔钱、燃烧技术的“微观”大战还在持续很长一段时间。

3纳米用gaa

我们从技术上谈谈未来的变化。 台湾积体电路制造的3纳米工艺继续使用finfet (鳍型场效应晶体管)。 另一方面，三星直接使用GAA(gate-all-aroundfet，全周型结构场效应晶体管)。 但是，台湾积体电路制造去年也正式宣布将在2纳米节点导入gaa技术。

那么，说起finfet (鳍片型场效应晶体管)，要说半导体技术的飞速发展史，其本质其实是晶体管尺寸的缩小史。 从20世纪70年代的10微米节点开始，半导体的迅速发展遵循了摩尔定律。

在快速发展的过程中，自英特尔首次在22纳米节点使用以来，finfet在过去的十年中成为了半导体器件的主流结构。 但是，到了5nm节点后，鳍片结构不容易满足晶体管所需的静电控制，泄漏现象在尺寸进一步缩小的情况下急剧恶化。 台湾积体电路制造很了解这种情况。

因此，半导体领域也需要新的处理方案。 正因为如此，gaa被广泛认为是鳍结构的下一代继承人。 当然，无论是以往的mosfet (金属-氧化物半导体场效应晶体管)、现在的finfet )、未来的gaa中的哪一个，形状和材料都不会改变，但归根结底是场效应晶体管( fet，field-effect transict )

2019年，在三星晶片制造论坛(三星基金会)上，三星宣布在3纳米节点放弃鳍片结构，转向gaa技术。 这场大战将在3纳米节点爆发。

另外，英特尔目前仍在为7nm技术难产而苦恼，没有给出何时部署gaa的具体计划。 但是，英特尔首席技术官迈克·梅伯里博士去年表示，希望在5年内实现gaa技术的批量生产。 虽然现在台湾积体电路制造势如彩虹，但要说intel是“弱鸡”，还是不合适的。

另一个关于未来技术动向的问题是，根据目前的预计，水平方向的gaa足以将栅极线的周期从54纳米削减到30~40纳米左右(2~3代节点)。 但是，此后晶体管的迅速发展，充满了挑战和不确定性。

在目前已知的几种备选方案中，垂直纳米线结构、互补结构、堆叠结构是比较可行的方案。 这些新结构在理论上比gaa结构具备更好的性能，但要实现商业生产需要更先进的工艺水平。 从目前的新闻来看，互补结构最有可能成为gaa之后的选择。

现在，由于3纳米工艺技术的难度非常大，三星的美国工厂，也就是德克萨斯奥斯汀的晶圆工厂，可能很难在2023年之前正式批量生产。 这对以赶超台湾积体电路制造为目标的三星来说，压力依然很小。

据业内人士分析，从目前台湾积体电路制造公布的工艺推进情况来看，使用euv光刻( euv光刻，极紫外光光刻)的5纳米良品率迅速赶上7纳米，被业内人士台湾积体电路制造。

所以，即使三星依赖国内工厂于2022年提前量产3纳米gaa，在性能方面也未必能控制台湾积体电路制造。 在3纳米进程这场“龙争虎斗”中，鹿死无人能及。