12月29日，臺積電舉行3nm量產及擴產儀式，宣布其3nm技術成功進入量產階段。臺積電董事長劉德音在致辭中表示：“3nm與5nm同期良率相當，也已經與客戶共同開發新產品并大量生產。”據悉，臺積電3nm工藝技術將應用在推動未來頂尖產品中，包括超級計算機、數據中心、高速國際網絡、AR/VR等。臺積電在先進工藝方面的主要競爭對手三星電子于2022年上半年率先實現量產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3nm，業界普遍認為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，其位于新竹科學園的全球研發中心將于2023年第二季度正式開放，預計進駐8000名研發人員。

　　作為臺積電當前最先進的制造工藝，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年量產的3nm仍將沿用FinFET架構，明年下半年計劃量產升級版的N3E，后年規劃N3P版本，將采用新一代GAA架構，進一步提升性能、降低功耗。

　　目前，臺積電、三星、英特爾等頭部半導體制造商均在大力投資更先進的3nm、2nm技術。隨著3nm實現量產，臺積電下階段的主要目標是提升3nm工藝的產量和良品率，并于2025年量產2nm工藝。根據TrendForce集邦咨詢的報告，在2022年第二季度前十大晶圓代工產值中，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最佳的工藝節點，7/6nm工藝節點營收環比增長2.8%。

　　三星也在加強3nm工藝的開發與良率提升。在5/4nm時代三星便因良率不佳導致訂單落后于臺積電，因而希望在3nm的產品技術革新中扭轉局面。2022年6月三星量產第一代3nm GAE工藝，預計三星將于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，根據規劃2021年量產Intel 7(相當于10nm)工藝，2022年下半年量產或做好量產Intel 4(相當于7nm)的準備。2023年，英特爾將發布代號為Meteor Lake CPU的第14代酷睿，使用Intel 4。此后，英特爾還將量產Intel20A(相當于2nm)與Intel18A(相當于1.8nm)。

　　制造成本進一步提升

　　不過制造成本的不斷增加推升了3nm晶圓的價格，使得IC設計公司在采用3nm工藝時或有可能出現更多猶豫。資料顯示，代工廠的晶圓價格隨著工藝演進一直在穩步上漲。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工藝并投入量產時，價格約為每片12英寸晶圓6000美元。據悉，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，預計3nm的晶圓價格一片將高達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系。從成本核算的角度來看，晶圓廠在3nm工藝研發上投入達到40億～50億美元，建一座3nm工藝、每月生產4萬片的生產線，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。

　　先進制程芯片的開發費用同樣不遑多讓，其研發費用主要包括芯片設計、IP、EDA、設備等，根據Semi engineering計算，28nm工藝的開發費用約為5130萬美元，16nm工藝需要投入1億美元，5nm費用達到5.42億美元。

　　預計晶圓價格的不斷增高將使IC設計公司采用時或有可能出現更多猶豫。有消息稱，蘋果將在明年發布的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及以上產品中。而AMD、高通、英偉達、聯發科、博通等傳統客戶仍將繼續與臺積電合作，但采用3nm的產品與時間表尚待進一步明確。

　　作者：陳炳欣    來源：中國電子報、電子信息產業網