3nm这么高端,怎么不用?

摩尔定律接近极限,但魅力却无限。从14nm、7nm再到如今的3nm、2nm,国际大厂对摩尔定律的追求几近巅峰。

围绕3nm节点,全球巨头们的竞赛堪称激烈。但3nm这一节点呈现了不同的特征,这个节点的研发和生产的成本极高,这也增加了供应商和客户的风险,所有的玩家极力地在先进技术与成本之间寻求平衡。

在这场巨头竞争的背后,真正的客户市场在哪里?又或者说,为什么没客户?

3nm竞争

台积电

2016年9月,台积电董事长刘德音首次透露了3nm制程的进度,他表示,目前组织了300-400人的团队研发中。

在2022 年的技术研讨会上,台积电分享了有关其即将推出的 3nm节点的一些细节。台积电的第一个 3nm节点是“N3”节点。该节点于2018-2019 年颁布颁发,计划于本年下半年发布。

三星

2018年,三星电子在位于美国的2018年三星半导体代工论坛上,公布其全面的芯片制程技术路线图,其中包罗5nm、4nm、3nm三个先进制程。

本年6月30日,三星颁布颁发成为全球首家已经开始量产3nm制程芯片的厂商。三星表示其初代3nm制程比起5nm 产品功耗降低45%、效能提升16%、节点面积减少16%;第二代3nm制程更会降低50% 功耗、拥有30% 效能提升,并减少35%节点面积。

英特尔

在3nm制程上,英特尔同样在布局。英特尔为其制程节点引入了全新的命名体系,市面上来说,Intel 3相当于其他厂商的3nm制程。

按照英特尔的制程路线图来看,Intel 3会在Intel 4之后表态。在“英特尔加速创新”线上发布会上,英特尔计划Intel 3 将在2023年下半年表态。

3nm谁在用?

一般来说,芯片的性能与晶体管数量有关,但考虑到芯片的功耗、面积不能过高,那么提升芯片性能的最好办法就是缩小微电子元件和电路的体积以及它们之间的距离,这样在芯片面积不变的情况下可以塞入更多的晶体管数量,性能自然更强。

比拟于电脑、汽车这些产品,手机的体积相当小,会拿在手上使用,并且为了便利使用时也会脱离电源。这意味着除了性能之外,手机还得考虑续航能力和手机温度。而作为耗电大户和发热大户的芯片,在用上新制程的情况下不仅能够提高性能,还能降低功耗,减少发热,提高用户的使用体验,这样的诱惑对于任何一家手机厂家都是无法拒绝的。并且现在芯片制程也成为了手机的卖点之一,所以手机都在抢着用新制程。同理还有其他便携类产品也都是使用先进制程的预备军。

但是不是所有的手机都能用3nm的,苹果作为台积电最大客户,将率先尝鲜新工艺,据传M2 Pro就将基于3nm工艺打造。M2 Pro就是苹果推出的笔记本电脑,但是除此之外,没有消息有其他品牌或者其他产品有使用3nm的消息。

其他手机为什么没有用呢?不消最先进的3nm是否意味着手机就是落后的呢?

3nm工艺确实能显著提升手机芯片的性能及能耗,但目前的手机处理器的性能早已严重过剩,堆砌更多的性能也难以发挥利用。并且实际上手机芯片并不是一直处于峰值性能状态,几乎所有手机都会加入温度控制模块,在检测到温度过高时会降低芯片性能减少发热量。一味地追求工艺制程的进步,其实只是让纸面数据看起来更华丽一些,并不能为用户的实际体验带来多大的提升。并且,处理器使用更先进的工艺制程,也意味着其制造成本更高,手机的价格也就更贵,这部分代价都需要消费者去承担。

所以3nm在唯一的客户这里,也是“岌岌可危”的。果不其然,8月底有消息称台积电内部已经决定放弃 N3 工艺,因为客户几乎都不肯意用,包罗苹果。

无路可“用”的3nm

车企:缺芯,但缺的不是3nm

车企先锋特斯拉现在的HW3.0内部最先进的芯片制程工艺也仅仅为14nm,手机行业7nm都是四年前的事情了,被称为现代工业皇冠的汽车,其使用最先进的芯片却如此“落后”,甚至比一台才几千元的手机所用的芯片还要“落后”?

简单来说是三个方面的原因:汽车内部有着广阔的空间,芯片面积不太过于限制;芯片发热不消担心;功耗在汽车本身的耗能面前很小,汽车也不担心功耗。

以及汽车的使用场景相对固定,基本上就是简单的显示车辆信息、设置、地图、音乐、视频等场景,对芯片性能要求相对不高。并且现在各大车企推出的智能座舱并没有多少能够自由安装软件,更别说安装游玩原神这类对性能要求极高的游戏,而车机的位置、大小也在使用车机玩游戏这件事情显得不那么现实。

所以汽车行业不需要太先进的芯片。他们缺的,其实是那些技术成熟甚至称得上 “老旧”的基础型芯片。比如ESP芯片,130nm制程,17年前的技术,但现在奇缺,因为没多少人愿意生产那么老的芯片。纯电动车的电池办理芯片IGBT,65nm制程,现在也缺的很,也是因为没多少厂家还保留着那么老的生产线。

所以现在的情况是这些被芯片行业视为老古董的芯片直接拖住了全球汽车行业的产能,缺芯并不缺3nm。

不需要还是用不起?

3nm代表着摩尔定律已经达到了极限,但是无论是设计公司、制造厂还是封装厂,对于先进制程研发都从未停止,巅峰依旧是他们永远的追求,先进制程依然是关乎产业命脉、国家安全的关键,未来科技为王,落后就要挨打。3nm的应用少不是唱衰,而是另有原因?

贵,太贵

国际商业战略公司 (IBS) 首席执行官Handel Jones表示:“设计28nm芯片的平均成本为4000万美元。比拟之下,设计7nm芯片的成本为2.17亿美元,设计5nm设备的成本为 4.16亿美元,3nm设计更是将耗资高达5.9亿美元。”

在先进工艺设计成本上,半导体技术研究机构Semiengingeering也统计了不同工艺下芯片所需费用,其中28nm节点上开发芯片只要5130万美元投入,16nm节点需要1亿美元,7nm节点需要2.97亿美元,到了5nm节点,开发芯片的费用将达到5.42亿美元,3nm节点的数据还没有,大概是因为3nm现在还在研发阶段,成本不好估算。但从这个趋势来看,3nm芯片研发费用或将接近10亿美元。

如此昂扬的成本,是大厂都无法承受的。2018 年,因昂扬的研发成本,当时排名世界第二的代工厂格罗方德被迫放弃7nm制程的研发。目前,全球唯有台积电、三星、英特尔还在向3nm、2nm峰顶冲刺。

贵不仅仅是研发贵,贵在整个生产链。首先是晶圆代工成本,按照CEST的模型,在5nm节点上构建的单个300mm晶圆的成本约为16988美元,在7nm节点上构建的类似晶圆成本为9346美元。可以看到,相同尺寸晶圆,5nm工艺节点比拟7nm每片晶圆代工售价高7000多美元。从中可以推断出,在3nm节点上构建的晶圆成本或将达到3万美元摆布,晶圆代工成本将进一步提高。

其次是掩膜成本,台积电从10nm到5nm,随着EUV光刻技术的应用,掩膜使用数量有所减少,5nm与10nm制程中掩膜使用数量相差不多。但是,在掩膜数量基本持平的情况下,更先进的制程工艺使得掩膜总成本提升,能侧面反映出掩膜平均成本在不竭升高。而ASML第二代EUV光刻机价格预计将突破3亿美元。

最后还有昂贵的研发和人力费用。人才缺失是这个行业永远的热门话题。

台积电也撑不住了?

N3为什么变成了N3E?前不久台积电技术研讨会上的大部分消息都是关于 N3E 的,而最初的 N3 节点只是经过简短的提及。

N3 是台积电第一代 3nm 工艺,比拟N5 工艺功耗可降低约 25-30%,性能可提升 10-15%,晶体管密度提升约 70%。但是N3 工艺应用范围较窄,只适合制造特定的产品,面向超强投资能力、追求新工艺的早期客户。就是太贵了,只适合愿意烧钱的苹果、英特尔,结果这两家已经不消了。

Wikichip更是直言:“N3节点很奇怪。”它看起来似乎是台积电放弃的一次性节点。是不是台积电工程师在此制程中遇到了一些障碍,并决定半途改变,变成了N3E呢?N3E被纳入台积电的伞式营销“N3家族”,但N3E 与 N3 非常不同。据说设计规则非常不同,并且 IP 的实现方式不同,足以使它们在设计方面不兼容。对于客户而言,也没有直接的 IP 迁移路径可让在 N3 上制作的设计迁移到 N3E。这次可以相信吗?苹果明年会用吗?台积电3nm的篮子里也只有苹果一颗“蛋”。

摩根大通在最新发布的报告中指出,台积电面临联发科、AMD、高通、英伟达等四大先进制程客户砍单,计划关闭4台极紫外光(EUV)光刻机以减少产出,届时月产能将锐减1.5万片,明年获利恐衰退8%,是三年来首度面临获利下滑。据了解,台积电目前拥有大约80台EUV光刻机,主要用于7nm、5nm及以下的先进工艺,后续还会量产3nm工艺。然而随着PC、手机、显卡等产品的需求量下滑,所需的芯片数量势必会受到影响。苹果3nm跳单是不是也影响到了台积电呢?

总而言之,本年的3nm缺少了天时、地利、人和,未来不知道它能不能走出“水逆”,我们翘首以待,静观其变。

“半导体产业纵横”(ID:ICViews),作者:米乐,经。

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