一年提升一个纳米等级，制作高精度纳米芯片的难度有多大？

去年，受疫情期间智能手机、汽车和游戏机的需求拉升，半导体板块一路飙升，虽然今年以来半导体类股遭遇重创，但摩根士丹利分析团队指出，随着晶圆代工竞争格局的不断演变，台积电、三星和英特尔这三大巨头依然值得关注。

7月25日周一，三星电子生产的全球首批3纳米芯片产品出厂，这是自上月末开始批量生产以来，三星电子首次向客户交货。

三星电子在韩国京畿道华城厂区极紫外光刻(EUV)专用V1生产线举行了适用新一代全环绕栅极(GAA)技术的3纳米芯片产品出厂纪念活动。三星电子上月30日宣布全球首款基于GAA技术的3纳米工艺半导体产品投入量产。

其计划将GAA工艺的3纳米芯片应用于高性能计算(HPC)，并与主要客户公司合作，扩大到移动系统芯片(SoC)等多种产品群。另外，继华城厂区之后，三星电子平泽厂区也将扩大GAA工艺3纳米芯片产品的生产。

不久前，华尔街见闻稍早文章还提及，三星正考虑未来二十年在美国得克萨斯州建立11家芯片工厂，投资总额可能接近2000亿美元，并创造超过1万个就业机会。

“芯片三国杀”中的英特尔也不甘示弱，英特尔与联发科宣布建立战略伙伴关系，英特尔将通过其晶圆代工事业部(IFS)向联发科供应芯片。声明显示，英特尔将为联发科生产一系列设备所需的芯片。联发科的芯片被用于亚马逊Echo音箱以及Peloton Interactive Inc.自行车等众多设备，现在将依靠英特尔的全球制造业足迹来更接近美国和欧洲的市场。英特尔晶圆代工事业部总裁Randhir Thakur称，作为无晶圆厂晶片设计公司之一，联发科每年驱动超过20亿台智能终端装置，是该部门在进入下一发展阶段时的绝佳合作伙伴;而英特尔拥有先进制程技术与位于不同区域的产能资源，可协助联发科交付下波10亿个跨多元应用的连网装置。

联发科称，与英特尔在5G数据卡合作后，将着眼快速增长的全球智能设备，进一步与英特尔展开成熟制程晶圆制造上的合作。联发科还强调，公司采取多元供应商策略，与英特尔的合作将有助于提升公司成熟工艺的产能供给，高端工艺则会持续与台积电维持紧密伙伴关系，没有任何改变。

无疑，此次合作对于英特尔在芯片代工领域与台积电以及韩国三星电子的竞争来说是一项重大成就。英特尔首席执行官Pat Gelsinger已将芯片代工作为重振芯片业务的一部分，另外还包括将现有芯片工厂现代化以及建设新工厂。

不过值得注意的是，本月英特尔已通知客户称2022年下半年将对半导体产品涨价。原因是受全球通货膨胀影响，成本上涨。正如华尔街见闻·见智研究所分析的，一方面是成本传导，另一方是英特尔在CPU市场极强话语权以及服务器等领域对芯片仍有较高的需求，才使得公司具有涨价的底气。中间三位大咖抱的可不是普通的「盘子」，而是刚从三星华城电子园区生产线上拿下来的3纳米晶圆。

再看看周围的其他团队成员，笑得也相当开心。而且他们比的不是剪刀手，而是代表着3纳米的「3」。性能拉满，能耗暴降,说起这个首次实现量产的3纳米芯片，就不得不提到它背后的MBCFET技术。MBCFE突破了此前FinFET的性能限制，通过降低电源电压水平来提高功率效率，同时还通过增加驱动电流能力提高了性能。

说起纳米片晶体管和半导体芯片的应用，三星这还是第一次。目的是为了实现高性能、低功耗的计算服务。最终能在移动处理器上也得以应用。三星的总裁，兼代工业务负责人Siyoung Choi博士表示，「我们一直都发展得很快。三星一直紧跟前沿的技术，然后想办法把它们投入生产应用。比如说之前的首个High-K金属栅极、FinFET，还有EUV等等。」

「现在，我们又是第一个研究MBCFET的。」三星的独家技术应用了有更宽的通道的纳米片，和用通道窄一点的纳米线的传统GAA技术相比，不光提升了性能，还提高了能源利用率。不仅如此，应用了3纳米GAA技术，三星还能通过调整纳米片的通道宽度，优化功耗和性能，来满足各类客户的不同需求。此外，3纳米GAA的设计非常灵活，简直就是为设计技术协同优化(DTCO)量身打造的。我们主要看新技术应用以后，芯片的功耗、性能和面积大小(PPA，Power、Performance、Area)三个维度来量化。

和5纳米的工艺相比，第一代3纳米工艺相比5纳米降低了高达45%的能耗，提升了23%的性能，减少了16%的面积。光是一代的提升就已经肉眼可见了。更不用说二代的PPA——功耗降低50%、性能提高30%、面积减少35%，比一代又优秀了不知多少。良品率行不行?量产靠谱吗?在外行眼里，能量产3纳米的工艺可能已经不敢想象了，但是也有分析师表达了其它的一些看法。来自大和资本市场的SK Kim表示，「三星能干成这件事，确实有意义。但还远远不够。量产只是第一步，你在能用它来生产主流芯片之前，比如手机CPU这种，不见得能多挣多少钱。」

这其实是有根据的。4月份就有消息传出来，说三星基于GAA的3纳米工艺良率才在10%~20%之间，比预期低得多。三星需要付出更多的精力和成本来解决这个问题。5月份就再次传出了3纳米良率问题已得到解决的消息，6月初才又传出来进入试验性量产的说法。不过，有了4月的前车之鉴，业界很多专家都对三星3纳米的真实情况打了个小小的问号。

据报道，6月22日，市场再次传出了三星3纳米芯片量产再一次推迟的消息，还是因为良率问题。而且，三星之前给别的大厂代工芯片还闹出过不少笑话。最逗的可能就是当时超级出圈的骁龙888，人送外号「大火龙」

这几年人们对于芯片的关注度明显提升，尤其是高精度的纳米级芯片。目前，已知的手机芯片可以做到4纳米的量产，就比如最近新发布的高通骁龙8+以及10月份要带来的苹果A16仿生芯片，都是4纳米制作工艺，它们统一的特点就是性能强大。通俗地来讲，我们可以理解为纳米数越小，性能也越强，但这个观点只是泛泛而谈的，最主观的感受。

制作高精度纳米芯片的难度是非常大的，这里也要感叹一下人们的研发能力，几乎是一年提升一个纳米等级。但是根据规律而言，再从4纳米往下研究的话，每提升一个等级，难度就会加大100倍以上，而之前就有科学家表示人类最高能做到7纳米芯片，而这项技术早早就被打破了。

目前，韩国三星电子对外官宣了自己旗下首款3纳米芯片，并且可以支持量产，而中国的一家企业也会成为其第一个客户。

首先要制作3纳米芯片，最先要做的就是设计和开发，打破之前原有的设计图纸，重新编辑。其投入资金、技术和人才成本都是难以估计的，并且就算设计出3纳米芯片，也需要光刻机的加工制成，这两项缺一不可，往往一次研发的费用动辄就是十几亿。所以，3纳米芯片的研发和制作难度是非常大的。

直观地来讲，三星的这款3纳米芯片较之前的5纳米芯片在功耗上降低了45%左右，性能提升了23%，面积减小了16%。其实，如今芯片的性能已经处于过剩的状态了，最重要的就是如何让芯片更加稳定，功耗更小，增强续航的同时，也能减少发热，让设备正常地运转下去。

而这次中国公司将成为首批客户，这家公司就是中国矿机芯片公司。众所周知，矿机对于芯片的要求能力非常高，不仅要求芯片有很强的性能，还要有稳定的低功耗，如果功耗大，散热能力又不强的话，轻则系统卡顿，重则机器直接报废。看来，市场还是非常相信三星3纳米芯片技术的。就连高通也增加了订单，以后就能在高通骁龙芯片上看到3纳米芯片的身影了。

三星之所以能够量产3纳米芯片，原因就在于三星采用了MBCFET技术，这项技术也是基于晶体管的一种升级技术。能够提升芯片的功率和电流，以换取更高性能的表现。

台积电(TSMC)是世界上最先进的代工芯片制造商，控制着全球 54% 的芯片合同生产市场，苹果和高通等没有自己半导体设施的公司都是其客户。

根据数据提供商 TrendForce 的数据，三星以 16.3% 的市场份额排名第二，去年该公司宣布了一项 171 万亿韩元(约 8840.7 亿元人民币)的投资计划，以在 2030 年之前超越台积电成为全球顶级逻辑芯片制造商。

“我们将在有竞争力的技术开发方面继续积极创新，”三星公司代工业务主管 Siyoung Choi 说。

三星联合首席执行官 Kyung Kye-hyun 今年早些时候说，其代工业务将在中国寻找新的客户，因为从汽车制造商到家电产品制造商的公司都急于确保产能，以解决全球芯片持续短缺的问题，它预计在中国将有高的市场增长。

虽然三星是第一个生产 3 纳米芯片的公司，但台积电正计划在 2025 年实现 2 纳米芯片的批量生产。

分析师说，三星是内存芯片的市场领导者，但其在更多样化的代工业务方面已经被领先者台积电超越，使其难以跟其竞争。在过去一年左右的时间里，三星与行业领导者竞争的努力也因旧芯片的产量低于预期而受到阻碍。该公司在 3 月份表示，其经营情况已显示出逐步改善。