解析下一代iPhone將采用的臺積電N3E芯片技術(shù)

據(jù)國外媒體報道，蘋果目前正在研發(fā)的A17處理器將使用臺積電的N3E芯片制造技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，并且N3E很可能是首發(fā)用于A17處理器，包括之后的蘋果M系列芯片。

不難預(yù)測蘋果在2023年下半年上市的iPhone 15系列將延續(xù)iPhone 14和iPhone 14 Pro這種處理器差異化，明年可能同樣是僅iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro配備3nm工藝的A17芯片，而普通版依然是N4的A16芯片。

臺積電N3制程將進(jìn)入量產(chǎn)階段

臺積電此前強(qiáng)調(diào)，臺積電N3（3nm）制程在完成技術(shù)研發(fā)及試產(chǎn)后，下一代3nm移動處理器節(jié)點將很快投入量產(chǎn)。之前預(yù)計第三季下旬投片量將大幅拉升，第四季月投片量將達(dá)上千片水準(zhǔn)，開始進(jìn)入量產(chǎn)階段。不過時間來到九月，目前還沒有臺積電正式開始量產(chǎn)N3芯片的消息。

臺積電N3制程仍延用FinFET晶體管架構(gòu)，其主要優(yōu)勢在于可充分發(fā)揮EUV技術(shù)優(yōu)異的光學(xué)能力，以及符合預(yù)期的良率表現(xiàn)，減少光罩缺陷及制程堆棧誤差，并降低整體成本。

目前，芯片設(shè)計人員必須使用一種晶體管類型。但是到了3nm節(jié)點，這種設(shè)計方法使用起來會比現(xiàn)有技術(shù)更昂貴。所以針對N3制程，臺積電推出了FinFlex技術(shù) —— FinFlex技術(shù)允許芯片設(shè)計人員在一個模塊內(nèi)混合和匹配不同類型的FinFET，以實現(xiàn)更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

基于FinFET工藝，芯片設(shè)計人員可以在使用不同晶體管的不同庫之間進(jìn)行選擇：當(dāng)需要以犧牲性能為代價來最小化芯片尺寸并節(jié)省功耗時，使用雙柵極單翅片鰭式FET；當(dāng)需要在芯片尺寸和更高功耗的權(quán)衡下最大限度地提高性能時，會使用三柵極雙翅片晶體管；當(dāng)需要更平衡的參數(shù)時，可以使用雙柵極雙翅片鰭式FET。

FinFlex是優(yōu)化N3節(jié)點性能、功耗和成本的好方法，這項技術(shù)使FinFET的靈活性更接近于基于納米片的GAAFET，后者可提供可調(diào)節(jié)的通道寬度，以獲得更高的性能或更低的功耗。

值得注意的是，F(xiàn)inFlex不能替代節(jié)點專業(yè)化（性能、密度、電壓），因為工藝技術(shù)比單一工藝技術(shù)中的庫或晶體管結(jié)構(gòu)有更大的差異。

隨著制造工藝變得越來越復(fù)雜，它們的尋路、研究和開發(fā)時間也變得越來越長，因此我們不再看到臺積電和其他代工廠每兩年就會出現(xiàn)一個全新的節(jié)點。在N3中，臺積電的新節(jié)點引入節(jié)奏將擴(kuò)大到2.5年左右。

這意味著臺積電將需要提供N3的增強(qiáng)版本，以滿足其客戶的需求，這些客戶仍在尋求每瓦性能的改進(jìn)以及晶體管密度每年左右的提升。在2022年臺積電技術(shù)研討會上，出的四種N3衍生制造工藝（總共五個3nm級節(jié)點）—— N3E、N3P、N3S和N3X。

臺積電及其客戶需要多個版本的N3的另一個原因是，它的N2依賴于使用納米片實現(xiàn)的全新柵極環(huán)繞場效應(yīng)晶體管（GAA FET），預(yù)計這將帶來更高的成本、新的設(shè)計方法、新IP和許多其他變化。

雖然尖端芯片的開發(fā)人員將很快轉(zhuǎn)向N2，但臺積電的許多普通客戶將在未來幾年堅持使用各種N3技術(shù)。與臺積電的N7和N5一樣，N3將成為世界上最大的半導(dǎo)體對比度制造商的另一個持久節(jié)點系列。

臺積電N3E是N3的升級版

根據(jù)臺積電的說法，與N5工藝相比，N3工藝可降低約25-30%的功耗，性能提升10-15%，晶體管密度提升約70%。但N3工藝存在一個天然缺陷，那就是只適合制造特定的產(chǎn)品，較高的成本也讓人望而生怯。

N3是為特定類型應(yīng)用量身定制的，因此它的工藝窗口相對較窄（產(chǎn)生確定結(jié)果的一系列參數(shù)），在良率方面并不適合所有應(yīng)用。這就輪到N3E上場了。

據(jù)悉，臺積電的N3E技術(shù)是目前第一代3nm技術(shù)（N3）的升級版，臺積電首席執(zhí)行官透露，“N3E將進(jìn)一步擴(kuò)展我們的N3系列，提高性能、功率和良率。我們觀察到N3E的客戶參與度很高，量產(chǎn)計劃在N3之后一年左右，或者大約明年這個時候。”

泄露出的臺積電PPT顯示，新一代N3E工藝良率超過預(yù)期，其中N3E的256Mb SRAM平均良率約為80%，移動設(shè)備以及HPC芯片的良率也為80%左右，而環(huán)式振蕩器良率甚至能超過92%。業(yè)界認(rèn)為N3E工藝量產(chǎn)時間將會提前到23Q2，而且將會成為各大廠商明年新品的量產(chǎn)主力。

與N5相比，N3E的功耗（在相同的性能和復(fù)雜性下）將降低34%或性能提高18%（在相同的功耗和復(fù)雜性下），并將邏輯晶體管密度提高1.6倍。但權(quán)衡是該節(jié)點的邏輯密度略有降低：據(jù)了解N3E在N3基礎(chǔ)上減少了EUV光罩層數(shù)，從25層減少到21層，邏輯密度低了8%?？偟膩碚f，N3E看起來是比N3更通用的節(jié)點。

在今年8月份，就有爆料稱臺積電內(nèi)部決定放棄N3工藝，因為客戶都轉(zhuǎn)向了2023年下半年量產(chǎn)降本的N3E工藝，其中放棄的客戶中就包括了蘋果。只不過截至目前，蘋果方面都還沒有對A17芯片工藝的諸多消息做出官方表態(tài)。

而依據(jù)這一次的最新消息，除了A17芯片，部分Mac電腦的芯片也將采用N3E工藝。此外，知情人士還透露稱，作為臺積電另一大客戶的英特爾，已經(jīng)將3nm芯片的訂單推遲到2024年或者更靠后。

蘋果之前也一直被傳將會使用臺積電的3nm工藝，所以之前一直傳的M2芯片將會使用3nm工藝的傳言，也在M2芯片發(fā)布的時候被不攻自破，但是蘋果仍然是表示之后會成為臺積電的3nm工藝客戶。

N3E工藝之所以能夠成為大家想要的，除了技術(shù)的升級之外，還和良品率有很大的關(guān)系，良品率一直都是這些大企業(yè)在供應(yīng)商上面挑選的一個很大的點。

3nm制程競賽誰會是冠軍

3nm制程的復(fù)雜度比7nm和5nm更高，且對資金、人力等各種資源的要求更高，當(dāng)下，也只有三星和臺積電能夠延續(xù)這一游戲。

然而，三星的良率問題一直困擾著它，這也是之前7nm、5nm制程一直被臺積電壓制的主要原因，爭取在良率方面有質(zhì)的飛躍，從而贏得更多客戶的信心是三星必須解決的問題。

英特爾的新GPU會在明年采用臺積電的3nm制程，AMD的Zen 5架構(gòu)部份產(chǎn)品已確定采用臺積電3nm制程，不過也要等到2024年。此外，英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、高通、博通等大客戶，同樣會在2024年采用3nm制程量產(chǎn)各自的新產(chǎn)品。

對此臺積電回應(yīng)指出：“臺積公司不評論個別客戶業(yè)務(wù)。公司產(chǎn)能擴(kuò)充項目按照計劃進(jìn)行。”另外，調(diào)研機(jī)構(gòu)以賽亞調(diào)研也指出，3/5nm等先進(jìn)制程有八成左右是共用機(jī)臺，因此臺積電可以根據(jù)其他制程客戶的需求彈性調(diào)配。

這樣一來，三星似乎就多了一些時間去爭取客戶，相對于在7nm、5nm量產(chǎn)時的客戶爭奪戰(zhàn)而言，三星在3nm處的操作空間或許更大一些。

同時由于客戶產(chǎn)品日程的推遲，臺積電決定放慢擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度，以確保產(chǎn)能不會過度閑置，導(dǎo)致巨大的成本攤銷壓力。除了正式通知設(shè)備供應(yīng)商公司有意調(diào)整2023年設(shè)備訂單外，由于3nm擴(kuò)產(chǎn)成本高昂，集邦咨詢預(yù)計此舉還將影響臺積電2023年CapEx計劃的部分內(nèi)容。因此，臺積電2023年的資本支出規(guī)模可能低于2022年。

面對三星的追趕，臺積電也是壓力山大，不進(jìn)則退，該公司每年都在增加資本支出，其中一大部分都是用于最先進(jìn)制程工藝的研發(fā)和晶圓廠建設(shè)。不過，這樣的高投入是否能夠長期延續(xù)下去，還要畫一個問號。未來，在投入新技術(shù)研發(fā)和成本控制之間的平衡，或許會成為一個越來越重要的課題。

要想實現(xiàn)3nm制程量產(chǎn)，巨額投入是必不可少的，特別是購買相關(guān)設(shè)備的資金量巨大，即使是臺積電這樣的廠商也不得不精打細(xì)算。為了控制成本，臺積電專門制定了EUV改善計劃，并改良EUV光刻機(jī)設(shè)計，以及導(dǎo)入先進(jìn)封裝，以求更多客戶愿意采用3nm制程。

值得一提的是，臺積電今年7月實現(xiàn)營收1867億新臺幣，同比增長49.9％，環(huán)比增長6.2%。今年前7個月，營收總計1.21萬億新臺幣，同比增長41.1%。展望下個季度，臺積電預(yù)估第3季合并營收在198億-206億美元。隨著臺積電的客戶推出3nm制程的產(chǎn)品，將為臺積電2024年的營收表現(xiàn)注入動力。