臺積電3nm量產(chǎn)要“遲到”

即便沒(méi)有在2022年如期推出3nm量產(chǎn)，也是十分正常的事情。

在突破先進(jìn)制程的道路上，身為芯片代工龍頭的臺積電從來(lái)不會(huì )吝惜在資金上的投入。

據臺媒報道，臺積電在2020年資本開(kāi)支170億美元，創(chuàng )下了歷史新高，這其中絕大部分用于5nm的技術(shù)突破。

隨著(zhù)3nm風(fēng)險試產(chǎn)在即，臺積電在新一年的開(kāi)支也將破新高。

但根據Digitimes的最新報道，臺積電在3nm制程工藝的研發(fā)上遇到了關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸，研發(fā)也不得不推遲。

推遲的3nm

早在去年4月，受到疫情的影響，EUV光刻機等關(guān)鍵設備在物流上受到延誤，這也導致臺積電在設備安裝上遲遲無(wú)法按期完成，原計劃在6月份風(fēng)險試產(chǎn)的3nm FinFET工藝，延期到10月份。

相應的，臺積電南科18廠(chǎng)原定于10月份安裝設備的3nm生產(chǎn)線(xiàn)也被順延一個(gè)季度，直到11月24日才正式開(kāi)工，而量產(chǎn)則被延期到2022年。

目前尚不清楚臺積電在3nm工藝研發(fā)過(guò)程中遇到的關(guān)鍵瓶頸具體指什么，但如果想順利在2022年完成量產(chǎn)，臺積電必須在技術(shù)上有所突破。

此前，臺積電CEO魏哲家在財報分析師電話(huà)會(huì )議上曾透露，他們的3nm工藝仍將采用成熟的鰭式場(chǎng)效應晶體管技術(shù)（FinFET）。而作為競爭對手的三星在3nm工藝上將采用環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）技術(shù)。

盡管相比于N5（5nm），臺積電N3的密度提高了50%，但工藝上依舊是FinFET，換句話(huà)說(shuō)，這次的臺積電太過(guò)于“保守”了。

這背后，是臺積電意圖兼顧成本與效能。畢竟從三星宣布的相關(guān)信息來(lái)看，3nm GAA技術(shù)的成本可能會(huì )超過(guò)5億美元，且其制造工藝與傳統的FinFET有一定的相似之處，但在技術(shù)要求和難度上更上一層臺階。

圖 | GAA比FinFET功耗降低

就FinFET技術(shù)本身，隨著(zhù)晶體管尺度向3nm 邁進(jìn)，其尺寸已經(jīng)去向縮小至極限。此時(shí)，無(wú)論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得岌岌可危，甚至物理結構都無(wú)法完成。

可以推測的是，臺積電已經(jīng)找到了可行的改進(jìn)方案，只是目前遇上了瓶頸。

5nm工藝“翻車(chē)”？

有人說(shuō)，手機SoC前幾年井噴式的發(fā)展，主要是受益于芯片工藝以及散熱技術(shù)的進(jìn)步。伴隨著(zhù)技術(shù)和材料上的限制，手機SoC的瓶頸已經(jīng)在5nm工藝上得到了體現。

隨著(zhù)小米11的正式發(fā)布，短短幾個(gè)月里，蘋(píng)果、華為、三星還有高通都相繼發(fā)布了各自的5nm芯片。

但從各家媒體的評測來(lái)看，這幾家公司的芯片都或多或少出現翻車(chē)的情況，實(shí)際性能提升并沒(méi)有宣傳中那么優(yōu)秀。

以驍龍888為例，這款芯片采用三星5nm LPE制程工藝，在這款芯片發(fā)布之前，蘋(píng)果A14和麒麟9000芯片都采用了臺積電代工的5nm制程工藝。

愛(ài)否科技的評測顯示，在3DMark壓力測試中，首發(fā)搭載驍龍888的小米11一直提醒溫度過(guò)高，導致測試無(wú)法進(jìn)行。并且，在經(jīng)過(guò)連續幾次的測試后，機身表面溫度達到了51度，而穩定性只有91%。這一問(wèn)題在多家測評中均有出現。

針對小米11的翻車(chē)，有人把原因歸結于測試機相對較老的固件以及Arm和高通的設計問(wèn)題，但事實(shí)上除了三星代工的驍龍888以外，由臺積電代工的5nm芯片同樣表現不理想。

比如相比A13，A14的性能提升并不明顯，而華為的麒麟9000芯片，功耗控制較之官方數據也存在較大差異。

單從測試結果來(lái)看，今年的5nm制程工藝，不管是臺積電還是三星，實(shí)際表現都沒(méi)能達到官方所宣傳的效果。

仔細來(lái)看，臺積電每隔兩年就將密度提升1.8倍的速度相當激進(jìn)，遠高于業(yè)界水平，而三星同樣在追趕臺積電的道路上加快了腳步。

所以目前的臺積電在3nm上依然十分激進(jìn)，并且沒(méi)有前人的經(jīng)驗，即便沒(méi)有在022年如期推出3nm量產(chǎn)，也是十分正常的事情。

缺電，臺積電最大的隱患

在解決完工藝上的問(wèn)題后，“缺電”就成了臺積電3nm道路上的最大威脅。

作為用電大戶(hù)，臺積電前幾年的用電量就占據了全臺灣用電量的5%以上。

根據臺積電企業(yè)社會(huì )責任報告書(shū)，2016年臺積電用電量就已高達88.53億度，較2015年增加了11％。當時(shí)臺積電僅在竹科的Fab耗電功率已經(jīng)超過(guò)72萬(wàn)千瓦。到了2019年，臺積電的耗電量猛增到143.3億度。

在過(guò)去五年臺灣增長(cháng)的用電量中，有三分之一都被臺積電占用，而這只是臺灣地區龐大半導體企業(yè)中的一員。

按照原計劃的3nm量產(chǎn)時(shí)間，2022年到2023年應備總供電容量增加近100萬(wàn)千瓦，2024年到2025年進(jìn)一步大增257.6萬(wàn)千瓦，而這恰好與臺積電3nm以及2nm量產(chǎn)時(shí)間相符合。

按照臺積電的估算，臺灣地區的備用電量遠遠無(wú)法滿(mǎn)足臺積電的需求。

臺積電造的每一顆芯片需要經(jīng)過(guò)近3000道工序才能完工，而這其中需要利用大量的半導體設備，并一直維持恒溫、高壓等各種復雜環(huán)境，這一切都需要電，芯片越多、制程越先進(jìn)，用的電就越多。

由于7nm以下的先進(jìn)工藝制程必須要使用EUV光刻機，而一臺EUV光刻機，一天耗電3萬(wàn)度。SK海力士此前就曾表示，“EUV的能源轉換效率（wall plug efficiency）只有0.02%左右。”極紫外光本身的損耗過(guò)大，這也是造成轉換率低的一大原因。

數據顯示，EUV機臺用電量占臺積電公司能源使用50%以上，如果EUV機臺數量逐年增加，那么臺積電對于電能的消耗也將進(jìn)一步快速增長(cháng)。

早在2015年的時(shí)候，張忠謀就指出，困擾臺積電發(fā)展的唯一要素就是缺電、停電，這一影響對于現階段的臺積電已經(jīng)是不可估量的。如果后期的3nm、2nm工廠(chǎng)也出現停電情況，損失方面將會(huì )是5nm生產(chǎn)線(xiàn)的幾倍。

結語(yǔ)

在目前的情況之下，無(wú)論是GAA還是FinFET，都存在技術(shù)上的瓶頸。除了臺積電的3nm受限以外，無(wú)獨有偶，三星的3nm似乎也不順利，其晶圓工廠(chǎng)已經(jīng)將進(jìn)度調后。

圖 | 三星公布的5nm成本

不過(guò)，業(yè)內人士對于“臺積電2022年開(kāi)始量產(chǎn)3nm工藝”還是充滿(mǎn)信心。而要實(shí)現這一目標，除了解決技術(shù)上的難題以外，臺積電還要從節省能源上下足功夫。

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