12月29日，臺積電舉行3nm量產(chǎn)及擴產(chǎn)儀式，宣布其3nm技術(shù)成功進(jìn)入量產(chǎn)階段。臺積電董事長劉德音在致辭中表示：“3nm與5nm同期良率相當(dāng)，也已經(jīng)與客戶共同開發(fā)新產(chǎn)品并大量生產(chǎn)。”據(jù)悉，臺積電3nm工藝技術(shù)將應(yīng)用在推動未來頂尖產(chǎn)品中，包括超級計算機、數(shù)據(jù)中心、高速國際網(wǎng)絡(luò)、AR/VR等。臺積電在先進(jìn)工藝方面的主要競爭對手三星電子于2022年上半年率先實現(xiàn)量產(chǎn)3nm。但是三星3nm工藝一直受到良率與功耗問題的困擾。隨著臺積電量產(chǎn)3nm，業(yè)界普遍認(rèn)為3nm世代的競爭將全面開啟。

新一工藝世代來臨

在致辭中，劉德音表示，晶圓18廠是臺積電5nm及3nm的超大型晶圓廠，也是臺積電3nm產(chǎn)能的主要基地。臺積電對晶圓18廠的總投資將超過605億美元。臺積電還宣布，其位于新竹科學(xué)園的全球研發(fā)中心將于2023年第二季度正式開放，預(yù)計進(jìn)駐8000名研發(fā)人員。

作為臺積電當(dāng)前最先進(jìn)的制造工藝，3nm相比5nm邏輯密度增加60%，相同運行速度下功耗降低30%～35%。臺積電3nm工藝平臺將包含多個工藝段，2022年量產(chǎn)的3nm仍將沿用FinFET架構(gòu)，明年下半年計劃量產(chǎn)升級版的N3E，后年規(guī)劃N3P版本，將采用新一代GAA架構(gòu)，進(jìn)一步提升性能、降低功耗。

目前，臺積電、三星、英特爾等頭部半導(dǎo)體制造商均在大力投資更先進(jìn)的3nm、2nm技術(shù)。隨著3nm實現(xiàn)量產(chǎn)，臺積電下階段的主要目標(biāo)是提升3nm工藝的產(chǎn)量和良品率，并于2025年量產(chǎn)2nm工藝。根據(jù)TrendForce集邦咨詢的報告，在2022年第二季度前十大晶圓代工產(chǎn)值中，臺積電第二季度營收為181.5億美元，5/4nm營收季增約11.1%，是第二季度營收表現(xiàn)最佳的工藝節(jié)點，7/6nm工藝節(jié)點營收環(huán)比增長2.8%。

三星也在加強3nm工藝的開發(fā)與良率提升。在5/4nm時代三星便因良率不佳導(dǎo)致訂單落后于臺積電，因而希望在3nm的產(chǎn)品技術(shù)革新中扭轉(zhuǎn)局面。2022年6月三星量產(chǎn)第一代3nm GAE工藝，預(yù)計三星將于2024年推出第一代3nm工藝的升級版3nm GAP(GAA-Plus)。

英特爾的追趕也很快，根據(jù)規(guī)劃2021年量產(chǎn)Intel 7（相當(dāng)于10nm）工藝，2022年下半年量產(chǎn)或做好量產(chǎn)Intel 4（相當(dāng)于7nm）的準(zhǔn)備。2023年，英特爾將發(fā)布代號為Meteor Lake CPU的第14代酷睿，使用Intel 4。此后，英特爾還將量產(chǎn)Intel20A（相當(dāng)于2nm）與Intel18A（相當(dāng)于1.8nm）。

制造成本進(jìn)一步提升

不過制造成本的不斷增加推升了3nm晶圓的價格，使得IC設(shè)計公司在采用3nm工藝時或有可能出現(xiàn)更多猶豫。資料顯示，代工廠的晶圓價格隨著工藝演進(jìn)一直在穩(wěn)步上漲。2008年40nm工藝的價格為2600美元/片，2011年28 nm工藝的價格約為3000美元/片，2017年引入10nm工藝并投入量產(chǎn)時，價格約為每片12英寸晶圓6000美元。據(jù)悉，臺積電在2018年推出7nm工藝時，晶圓價格躍升至近1萬美元/片，2020年5nm晶圓價格突破1.6萬美元/片，預(yù)計3nm的晶圓價格一片將高達(dá)2萬美元。

專家指出，晶圓價格的不斷上漲與成本有著脫不開的關(guān)系。從成本核算的角度來看，晶圓廠在3nm工藝研發(fā)上投入達(dá)到40億～50億美元，建一座3nm工藝、每月生產(chǎn)4萬片的生產(chǎn)線，成本約為150億～200億美元。此次，臺積電對晶圓18廠的總投資超過605億美元。臺積電在美國投建的5nm工廠投資額為120億美元。

先進(jìn)制程芯片的開發(fā)費用同樣不遑多讓，其研發(fā)費用主要包括芯片設(shè)計、IP、EDA、設(shè)備等，根據(jù)Semi engineering計算，28nm工藝的開發(fā)費用約為5130萬美元，16nm工藝需要投入1億美元，5nm費用達(dá)到5.42億美元。

預(yù)計晶圓價格的不斷增高將使IC設(shè)計公司采用時或有可能出現(xiàn)更多猶豫。有消息稱，蘋果將在明年發(fā)布的iPhone15系列中采用A17處理器，采用臺積電3nm工藝制造。但也有消息稱，A17有可能僅配備在iPhone15 Pro及以上產(chǎn)品中。而AMD、高通、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、博通等傳統(tǒng)客戶仍將繼續(xù)與臺積電合作，但采用3nm的產(chǎn)品與時間表尚待進(jìn)一步明確。