苹果不用,华为用不上,被迫放弃3nm N3工艺的台积电,后悔了吗?

站长资讯 (16) 2022-09-01 10:25:55

近日,台积电突然宣布取消 3nm 的 N3 工艺,前段时间刚刚官宣了量产3nm技术,现在又宣布取消,这不是打脸吗?

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没办法,老东家苹果取消订单,华为又拿不到订单,没有订单,台积电只能取消这个工艺。

那么苹果为什么取消订单呢?是台积电的工艺出现问题了吗?

先来科普一下“制程”

我们经常听到7nm、5nm、3nm工艺制程,那么究竟指的是什么呢?是晶体管长度吗?不是!是晶体管直径吗?更不是!

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晶体管分为源极、栅极和漏极三部分。

晶体管就像微型电子开关,在它工作时,电流从源极经过栅极流入漏级,栅极相当于闸门,主要负责控制两端源极和漏级的通断。

在电路接通时,代表数字“1”,断开时代表数字“0”。无数的二进制编码“0”和“1”就构成了图片、文字。

我们把栅极的最小宽度,或者沟道长度,定义为Xnm制程工艺中的数值

对于芯片制造商而言,主要是升级技术,力求栅极宽度越窄越好。不过当宽度逼近20nm时,栅极对电流控制能力急剧下降,会出现“漏电”问题。

为了提高芯片性能,就需要在芯片上集成更多的晶体管,这样一来绝缘层会变得更薄,电流也会更加容易泄露。

电流的泄露增加了芯片的功耗,也带来了发热,如果泄露过多的话,还会导致电路错误,信号模糊。

因此,提高芯片性能,增加晶体管数,同时有降低漏电率是每一个芯片代工商的追求。

在这方面,台积电是做得最好的。

台积电3nm N3工艺

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在芯片制造领域,台积电是绝对的领导者,全球市场份额达到了56%,位居第一位,三星排在第二位,市场份额为16%。

台积电不仅市场份额高,技术更是一流。

目前台积电已经可以量产3nm工艺了。尽管老对手三星电子也量产了3nm工艺,但漏电率高、良品率低,把连安卓之光高通吓得都不敢用。

台积电的3nm工艺有多个版本,包括N3、N3E、N3P、N3X。

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N3是标准版本,已经量产,N3E是性能增强版(Enhanced),原计划2024年量产,后来考虑到成本,变成了精简版,规格上有所缩水,但进度提前到了2023年。

台积电的3nm N3工艺依然采用了FinFET(鳍式场效应晶体管)工艺,晶体管密度达到了惊人的2.5亿个/mm²!

或许很多网友对晶体管密度没有什么概念。这么说吧,7nm的麒麟990(搭载在Mate 30、P40手机上)晶体管为103亿个,平均下来是0.9亿个/mm²。3nm晶体管数接近于7nm的3倍左右。

在性能提升方面,台积电5nm工艺相比7nm性能可提升15%,能效比提升30%,而3nm N3较5nm性能进一步提升7%,能效比提升15%。

从性能方面看,台积电3nm N3工艺还是有所提升的,但效果并不明显。如果考虑到成本因素,其实有点鸡肋。

为了研发3nm技术,台积电平均每年投入100亿美元搞技术研发,而兴建一条3nm产线的成本约为150-200亿美元。

既然耗资如此之高,那么台积电为什么不一次性到位,直接研发3nm增强版呢?这样不是更节省资金吗?

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其实台积电也想这么做,奈何三星、英特尔不给机会啊!

三星副会长李在镕出狱后,第一件事就是拜访光刻机制造商ASML,希望能够多买几台先进的光刻机,同时得到其技术支持,临走时还说了一句“不差钱”。

而英特尔也表示要在芯片制造工艺上加速创新,并表示将部署业内第一台High-NA EUV光刻机。

所以台积电只能一直跑,不能停下来,停下来休息一下就有可能被对手超越。

苹果为什么取消台积电3nm订单

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苹果是智能手机地领导者,也是世界上数一数二的高科技公司。

一直以来苹果公司都是台积电的第一大客户,台积电也一直把苹果奉为座上宾。

2021年,因为成本压力,台积电宣布芯片代工涨价,先是涨价10%,后来直接宣布了芯片代工一律涨价20%,并且立刻生效。但苹果芯片仅涨价3%。

这足见苹果公司的分量。可怜我们的华为即便是加价也拿不到订单。

台积电拿着最先进的3nm N3技术找到了苹果公司,希望苹果指点一二,哪想到苹果测试完后,直接砍掉了N3工艺的订单。

这意味着今年下半年苹果的M2Ultra等无法采用台积电3nm工艺,明年iPhone15上的A17芯片也用不到N3工艺。

台积电辛辛苦苦研发的3nm N3打水漂了!

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台积电对外界宣称的,最快的时钟频率、最高的性能满足、超高能效、最低功耗、最低泄漏和最高密度等等,都被苹果否决了。

苹果公司压根就没看上台积电的3nm N3制造工艺。

当然苹果公司还是安慰了一番台积电。阿电你看,我的iPhone 11、12、13、14的处理器都由你代工,我还是很相信你的。但是我也有压力啊!你看华为的Mate 50又和我杠上了吧?要怪你就怪华为吧!

最后苹果还承诺,下下代产品使用台积电的3nm N3E技术。

其实苹果早就计算好了,5nm工艺的A17芯片再用一年完全没问题,足够吊打安卓了,最重要的是可以节约成本,增加利润。

2023年下半年,台积电的3nm N3E(增强版)工艺完全成熟,性能更加强悍,到时候刚好赶上新品。

在这里给库克点个赞,真不愧是控制产业链和成本的大师。

台积电N3E技术

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根据台积电对N3E(3nm增强版)工艺的介绍,我们可以发现,N3E工艺将使用更少的EUV光刻层,从25层缩减到21层,投产难度更低,良品率也能更高,成本也将下降。

但N3E版的晶体管密度反而比N3版本低大约8%,相比N5仍然会高60%。

从这些数据可以看出,所谓的增强版其实是打了折扣,变成了精简版,规格缩水了。

没想到在巨大的成本压力下,台积电居然开起了倒车。不过三星也好不到哪里去,一直对外宣称3nm工艺已经攻克,可以量产,但就是没有订单。

大写的尴尬啊!

尽管没有订单,财大气粗的台积电仍然继续打磨这N3E工艺。

随着时间不断的推进,N3E工艺的良品率也在不断的提高,预计在2023年第二季度可以达到量产标准。这将有效地降低台积电的成本压力,带来新的竞争力。

而我们也可以大胆地猜测,5nm就是芯片的分水岭。台积电、三星将会在3nm工艺徘徊数年,而2nm工艺将会是硅基芯片的天花板。

台积电计划2nm工艺

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3nm工艺还未成熟,台积电就迫不及待地宣布了2nm工艺。

2022年技术论坛上,台积电正式公布了2nm工艺,2nm工艺与之前的7nm、5nm、3nm有所不同。

2nm采用了“GAAFET”晶体管技术,取代了以前的FinFET(鳍式场效应晶体管)工艺。台积电称这种技术为“Nanosheet”。

据悉,2nm工艺将会大幅度提高芯片的性能和功率,但是在晶体管密度方面提升不大,毕竟逼近了摩尔定律的极限。

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摩尔定律是:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

芯片领域的专家普遍认为,理论上1nm工艺是芯片制造的天花板,但实际上,因为设备、环境、人为等因素,芯片制造将止步于2nm。

为了突破摩尔定律,产业链上的各大公司纷纷开始新工艺、新材料的研究,其中就包括IBM和三星。

2021年12月,三星和IBM就公布了一种芯片制造的新设计,那就是垂直传输晶体管。

目前的芯片都是把晶体管平放在硅基表面上,然后电流从一侧流向另一侧。相比之下,晶体管彼此垂直,电流垂直流动。该技术有望突破1nm制程工艺瓶颈。

这样的设计可以让通过的电流更大,功耗降低85%,芯片速度增加两倍。但目前这项技术还没有商业化。

针对先进制程的芯片工艺,内地企业也没有闲着。

内地先进制程工艺

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目前内地企业中芯国际的制造工艺为14nm,但这并不代表我们对先进制程没有想法。

例如,针对1nm、2nm工艺,湖南大学研发出了超短沟道的垂直场效应晶体管(VFET)。

这种晶体管技术,可以把沟道长度做到0.65nm,也就意味着0.65nm工艺制程。

这些晶体管并非平行排列,而是垂直排列,这种排列结构具有天然的短沟道特性。材料上可以采用二硫化钼。

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当然这些只停在实验室的研究阶段,无法生产制造,因为缺少EUV光刻机。

绕来绕去,又绕到了光刻机上,又离不开ASML了。

只要一天解决不了EUV光刻机,就一天无法量产7nm、5nm芯片,3nm、2nm也永远停留在理论阶段。

所以,下大力气搞研发、搞创新是我们无法绕开的,也无法逃避!

写到最后

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台积电在芯片代工领域一骑绝尘,三星和英特尔也被甩在身后,中芯国际大概只能看到后尾灯。

如今台积电也遇到难题,辛苦研发的3nm工艺居然拿不到苹果的订单,这无疑是最尴尬的。

但这也给我们提供了经验教训,追求极限的同时,也要考虑实际问题。既需要“埋头苦干”,也需要“开拓创新”。

THE END
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