​前有追兵后有堵截 3nm 会是下一个长寿节点吗？

前有追兵后有堵截 3nm 会是下一个长寿节点吗？

集微网报道 备受期待的 3nm 工艺已经逐渐拨开了前期的迷雾。按照台积电的说法，2023 年下半年将开始贡献营收，改版的 N3E 也将在同期实现量产。而且，台积电也对 3nm 成为长寿节点非常有信心。

纵览半导体发展历史，能被称为长寿节点的工艺屈指可数，28nm 是最被人熟知的一个。但是，时代已经发生变化，台积电的 3nm 还能重现 28nm 的辉煌吗？

N3 的时代降临

在三星抢跑半年之后，台积电才于 2022 年末宣布正式量产 3nm 工艺，并罕见地举办了量产和扩产仪式。与三星激进地采用 GAA 工艺不同，台积电的 3nm 还是留守在 FinFET 工艺上，不过引入了创新的 FinFlex 架构（允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的 FinFET）。按照官方宣传，其比 5nm 工艺的逻辑密度增益增加 60%，功耗降低 30-35%。

尽管初期也有传言称 N3 工艺良率不足，导致除苹果之外的厂商都暂缓投入该工艺。但后续报道和台积电的法说会则完全打消了这种猜忌。台积电在 2023 年 Q1 法说会上表示，N3 工艺的需求来自手机与高性能计算，目前需求超过公司产能，营收贡献节点将是第三季。同时，改进型的 N3E 工艺则于下半年量产，应用同样来自手机与高性能计算，且无论 N3 还是 N3E 皆有不错良率，使 3 纳米家族流片数量达到 5 纳米家族 2 倍。

台积电总裁魏哲家也表示，N3 和 N3E 都吸引了众多客户的参与，所以无惧产业库存调整的影响，预计未来几年都将保持强劲的需求。业内分析师也指出，台积电将今年的先进工艺资本支出中的大部分用在了 3nm 产能上（2021 年和 2022 年的资本支出主要集中在扩大 N5 产能上），再结合苹果已经包下了 90% 产能，台积电的 3nm 会成为公司的下一个长期捞金利器。

以赛亚调研认为，台积电预计在第二季度达到满载的稼动率，这意味着主要大客户（如苹果）产品的需求稳定上升。除苹果之外，2024 年台积电的主要客户，如高通、联发科、AMD 等也计划在 3nm 制程上推出新产品，并预计在 2024 年底前达到每月 10 万片的产能。综合来看，未来几年内 3nm 制程的产能持续提升，加之重点大客户持续推出新产品，且稼动率保持满载的情况下，3nm 制程有望成为台积电所期望的长期大量制程节点。

如果再考虑到 2026 年 2nm 工艺才开始普及，而 3nm 工艺是使用身经百战的 FinFET 的最后一个节点，在 GAA 并非是所有芯片刚需的条件下，其将在未来多年一直延续下去。

现在下结论还早？

" 现在讨论这个（3nm 成为长寿节点）还过早，因为 28nm 是经过了十几年的考验才被证明是一个长寿节点。" 一位行业资深人士认为不可轻下结论。

3nm 具备很多优势，如更高的集成度、更低的功耗、更好的性能等，可以应用在诸多前沿应用领域，如人工智能、云计算、物联网和高性能计算等。然而，制程节点的持久性不仅取决于技术优势，还取决于市场需求和行业竞争的发展，这从 28nm 的发展中就可以看出。

28nm 采用高介电层 / 金属栅极（High-k Metal Gate，HKMG）技术，是平面式技术世代中最高级别的制程。经过多年的研发和实际应用，其已经达到了相对成熟和稳定的状态，制程技术和设备已经经过充分的优化和改进，生产效率较高，并且具备较好的可靠性和可重复性。

以赛亚调研指出，28nm 制程节点是许多应用的甜蜜点，关键就在于成本，像 ISP、OLED DDI、射频、车用等产品主要都在 28nm 节点投片，如再往先进制程过渡就会面临到成本上升的压力。相比于更先进的制程节点，如 10nm、7nm 等，28nm 制程具有更低的投资成本和生产成本。对于这些应用领域来说，使用 28nm 制程可以在合理的成本范围内提供良好的性能和功耗平衡，满足市场需求。因此，28nm 制程在多个应用领域具有广泛的适用性，一些低功耗、成本敏感的应用也可以通过 28nm 制程得到满足。

此外，对于一些设计团队和制造商来说，迁移到更先进的制程节点可能需要更多的工程和资金投入，而 28 纳米制程的兼容性较好，可以在不大幅度调整现有设计和流程的情况下实现迁移。

相对的成本优势和稳定性是 28nm 成为长寿节点的关键，如果从这两点来考虑，3nm 同样具有很大的潜力。半导体资深专家莫大康认为，" 在 3nm 节点，现有 EUV 已到极限，个别工艺要用 EUV 的 DP，而 2nm 则要用到高数值孔径 EUV 及 GAA，成本将大幅上升；而且，台积电目前的成品率也不算很高，再走下去风险越来越大，可以预见成本会越来越高，能支持的产品已不多，所以 3 纳米还是相对成熟的。"

另一个关键就是市场的驱动。" 长寿制程的因素包括了产品的应用、市场需求和普及速度，从面板驱动 IC、网通 Wi-Fi、CIS 到毫米波雷达，都是因应需求而发展，28nm 要占得先机也是经过一段很长的等待期 "，业内资深人士指出，如果 3nm 要获得发展机会，自动驾驶和高性能计算将是触发市场的关键点。

以赛亚调研认为 3nm 制程有潜力成为高端产品的大量生产节点，如 CPU、GPU、AP 以及加密货币等，在高性能和高效能应用中为相关产业带来创新与突破。

家族式作战

3nm 能成为长寿节点，还有一个因素就是 " 家族式作战 "。除了基础的 N3 和改进的 N3E 之外，台积电还为 3nm 节点预备了 N3P 和 N3X 工艺。

N3E 是因为 N3 未能达到台积电初期的性能、功率和产量目标而开发的。与 N5 相比，N3E 的功耗（在相同的性能和复杂性下）将降低 34% 或性能提高 18%（在相同的功耗和复杂性下），并将逻辑晶体管密度提高 1.6 倍，但该节点的逻辑密度略有降低。

N3P 在保持与 N3E 设计规则相容性的同时，提供额外的效能和面积优势，以最大程度地实现 IP 重复使用。N3P 预计 2024 年下半年开始量产，可在相同漏电下，速度增快 5%；在相同速度下，功耗降低 5-10%，以及与 N3E 相比芯片密度增加 4%。

专为 HPC 应用所设计的 N3X，提供额外的最大震荡频率 ( Fmax ) ，以在适度漏电平衡下提高驱动效能 ( overdrive performance ) 。相较于 N3P，N3X 在驱动电压 1.2V 下，速度增快 5%，并拥有相同的芯片密度提升幅度，预计于 2025 年进入量产。

为了抢占车用市场，精明的台积电还推出了业界第一个基于 3nm 的 Auto Early 技术 N3AE 方案，提供以 N3E 为基础的汽车制程设计套件，将有助缩短客户产品上市时间 2-3 年。

图 台积电 3nm 工艺家族

推出家族系列工艺节点，一方面是满足了细分市场的应用，一方面则是应对主工艺节点升级节奏越来越慢的挑战。台积电相信，当尖端芯片的开发将转向 2nm 时，很多普通用户还在未来会坚持使用各种 N3 技术。

不稳定的因素

阻碍 3nm 成为长寿节点的因素也同样存在。厂商之间的激烈竞争就是其一。

三星在先进工艺方面一直紧追台积电，并大有赶超之势。据韩国媒体报道，三星为 2023 年 6 月举行的国际 VLSI 研讨会准备的演讲简报显示，第二代 3nm 制程芯片的运算速率比其 4nm 制程快 22%，省电效率高 34%，芯片尺寸则减少 21%。而台积电近期才公布，第二代 3nm 制程的效能比 N5 高 18%、省电效率多 32%。一般认为，台积电 N5 制程与三星 SF4 制程相似。

有消息称，高通明年的旗舰芯片骁龙 8 Gen4 将会引入三星作为第二代工厂，打破过去三代产品由台积电独家操刀的局面，引发 3nm 工艺的抢单大战。台积电和三星将分别采用 N3E 和第二代 3 纳米 GAA 制程来生产骁龙 8 Gen 4 芯片。

两个 3nm 工艺的对决，可以促进工艺的进步，但也可能提前耗尽该工艺的潜能，使得新工艺升级速度加快。

除了厂商竞争之外，相邻工艺节点的竞争也有可能影响到 3nm 的寿命长短。目前最大竞争者就是台积电自身的 5nm 工艺。自诞生后的 4 年后，5nm 的制程效能提升高达 17%、芯片密度增加 6%，并维持相同的设计规则相容性，以尽可能增加现有客户设计的再利用。同时，5nm 的升级版 4nm 工艺也将有更多的需求，而这些需求的增加同样来自于人工智能、网络和汽车芯片产品。

以赛亚调研认为，目前有相当多的产品应用都停留在 5nm 节点，如苹果的 A16 和 M2 系列芯片、高通和联发科的旗舰手机芯片，以及 NVIDIA 和 AMD 的 GPU 等。这些产品的需求量都相当可观，并且稳定地由台积电进行生产，这表明 5nm 节点在当前市场上占据着重要地位，并且有着相对较长的生命周期。

还一个就是即将到来的 2nm 工艺。该节点预计在 2025 年进入量产阶段，届时是否会替代 3nm 成为长寿节点，仍要考虑之后制程技术发展，以及客户产品需求等因素。" 值得注意的是，过去的例子中，从 28nm 节点转到 12/16nm 以下的节点时，是从 Planar 转向 FinFET，而现在从 3nm 到 2nm 的转变也是从 FinFET 转向 GAA。因此，制程技术的演进可能会对节点的长寿性产生影响。" 以赛亚调研表示。

业内资深人士也认为，" 需要 high NA EUV ( 0.55NA ) 的 N2 是很昂贵的制程，客户不一定现在买单，去库存化需要时间而且 N2 的性能目前尚未得知；再者，N2 对台积电也是新制程 ( non FinFET ) 。"

" 同时，这也跟客户想要推出更有竞争力产品的选择有关，5nm 的单位未来会转移到 3nm 的机率还是很大的，2nm 则还要观察。" 该人士最后强调。