整理编辑 / 赵杨博
苹果年度旗舰iPhone 15 Pro系列的A17 Pro芯片，首发台积电N3工艺，将行业带入3nm时代。
根据官方公布的数据，采用N3工艺的A17 Pro，晶体管数量达到了惊人的190亿，作为对比，它的上一代产品，采用4nm工艺制程的A16 Bionic芯片仅有160亿。
苹果拉开3nm时代的序幕，也掀起了一场激烈的技术、市场争夺战，守擂的是代工巨头台积电，发起猛烈挑战的则是三星和英特尔。
三星在晶圆代工市场属于新贵，2010年开始承接iPhone处理器A4的代工订单，到2014年，苹果调整策略，将部分订单转交台积电，直至全部投入台积电怀抱，彻底放弃三星。
为了反击，三星大手笔押注3nm节点，在GAAFET的基础上自研MBCFET架构，试图与台积电一较高下，夺回失去的订单和客户，一个潜在的信号是——英伟达正在和三星试水其3nm工艺。
三星和台积电在3nm之间的博弈，被认为是“既分高下，也决生死”。
9月19日，亮见联合腾讯科技，特邀知名半导体投资人、腾讯新闻作者 启哥有何妙计 陈启，直播解读代工巨头的3nm争夺战，讲述三星和台积电各自的3nm路线图、市场前景。
以下为直播精华脱水版（在不改变原意的情况下有删减调整）
01
重识3nm：芯片工艺的极限在哪里？
刘兴亮：最近行业都在讨论3nm，这里所说的3nm指的是什么？
陈启：自从几年前开始，中国对半导体行业的重视逐渐增加。人们对芯片行业的新闻关注也不断升高。我们从28nm到45nm再到现在的3nm级别的数值有何意义？
早期晶体管的实际特征尺寸（critical dimension，简称CD），它与工艺节点一一对应。例如，如果在8英寸晶圆上晶体管特征尺寸250nm，对应的即250nm工艺。
从45nm到28nm之后，晶体管开始微缩，晶体管的实际尺寸与工艺节点的标称方法开始有差异，晶体管的命名方式采用等效标称方法。
假设有一款奥迪A6 45TFSI汽车，它搭载的是涡轮增压发动机。它大致相当于2.4-2.6自然吸气排量发动机。通过这个"45TFSI"这个标识，你无法准确知道它的实际排量，但实际上它大致相当等效于2.4到2.6之间。
行业会使用各种参数来对比前一代甚至是再前一代的制程，比如现在所谓的3nm，是相比于7nm和14nm，它的频率提高，面积缩小，功耗降低，密度增加，性能提升，所以请大家记住，3nm并不是晶体管的实际特征尺寸。
刘兴亮：现在有7nm，5nm，3nm，那未来是不是还会有1nm，再往后会如何发展？
陈启：业内已经在追求小于2nm的技术，并且以埃（Angstrom，符号为A）为单位表示，1A等于0.1nm，因此以下的数值可以转换为nm：20A相当于2nm，18A相当于1.8nm，16A相当于1.6nm，以此类推。
ICInsight提供的主要代工厂工艺节点量产路线图
欧洲有一个名为EMAC的机构位正在研发大约1nm的技术，这类研究更多是纯科研性质，具体何时问世尚不得而知。
目前我们人类在集成电路工艺上所观察到的尺寸仅限于1nm。对于更小尺寸，可能需要改变材料，也可能有新的命名方式。
刘兴亮：台积电3nm又划分为N3B、N3E，这种命名上的分区是什么？
陈启：它类似于汽车上的不同型号，例如运动型、舒适型、标准型等，比如N3B、N3E、N3X、N3P等等都是基于同一技术平台。
然而，不同客户有不同的需求。有些客户需要高性能，例如用于服务器的CPU需要有高性能；有些客户注重低功耗，例如用于手机的CPU需要控制散热。还有一些客户则着重于成本节约，因此，在同一技术平台上，会有多个细分版本如N3B、N3E、N3X等。
台积电工艺节点路线图
刘兴亮：苹果A17采用的就是台积电的3nm技术，它的晶体管密度做到了190亿，那我想问三星包括以及其他一些代工厂，他们现在大概是什么水平？
陈启：目前的两家公司分别是台积电和三星，英特尔则是追赶的态势。尽管英特尔也提出IDM 2.0战略，转型参与代工业务，但目前这个计划还处于早期阶段。
在3nm节点，晶体管结构主要包括两种类型，可以看作是两条不同的技术路线。台积电仍在采用FinFET（鳍式场效应晶体管）技术，而三星在5nm阶段摒弃了FinFET结构，采用了IBM开发的全环绕栅极晶体管技术，即GAA（Gate-All-Around）技术。在GAA技术方面，三星还有一种改良版本，称为MBCFET。
Planar、FinFET和MACFET架构立体图及剖面图对比
目前看来，从工艺复杂度来看，三星大概比台积电领先一两个版本。
然而，台积电作为一家全球最强大代工厂，在制造水平、良率等方面表现出色。因此，三星虽然使用了更先进的架构，但制造水平、良率等与台积电之间还存在一定程度的差距。
刘兴亮：FinFET和MBCFET两者架构，差别在什么地方？
陈启：两者存在着显著差异，这是由晶体管结构引起的。开发GAA技术和MBCFET技术是因为人们了解到FinFET技术已经接近极限。
GAA技术适用于某些结构，能够实现更高的密度，并减少漏电。此外，从性能角度来看，它具有更好的静电特性。GAA技术对于控制通道非常有优势，具有更强的电压控制能力，可以进一步缩小尺寸。
未来，当我们涉及到2nm技术后，GAA技术将成为主流，尽管三星在这方面稍早一步于台积电，目前实施的成果还一般。随着行业的工艺节点达到1.8nm、1.6nm或更低nm水平时，厂商将在同一结构上相互竞争，就会涉及供应能力、成本、产能和对客户的服务等综合能力方面的竞争。
02
三星VS台积电：弯道超车与防守反击
刘兴亮：在过去的几年，台积电一直以来都是晶圆代工的当红炸子鸡，行业顶尖的企业都在找台积电代工，而三星则弄丢了一大批客户，包括苹果、高通，到底是什么原因让三星变成了弃子？
陈启：台积电自1987年成立以来，一直专注于代工市场。通过一系列的销售整合，2000年左右成为代工行业无可争议的领导者，一直保持至今。回顾过去20多年，台积电积累了丰富的经验，使其在代工领域各个方面都成为行业的领导者，这一点是无可否认的。
三星以前也从事代工业务，但其本质上是一家专注于存储器件的公司，到了2018年，三星将其代工部门分拆出来，成立了一个独立的子公司，称为LSI，并作为独立资产运营。
与于1987年成立、经营了三十多年的台积电相比，三星在底蕴方面存在较大差距。此外，三星最初专注于存储器件制程，虽然存储器件制程也具有先进性，但存储器件制程与台积电的逻辑客户（数字电路客户）的制程还存在一些区别。
苹果A4与三星 S5PC110A01处理器DieShot对比，前者基于后者高度定制
我还记得当年购买iPhone 6s手机，有三星和台积电两个版本，但买到哪个版本取决于运气。从技术角度来看，当时三星的14nm制程相对于台积电的16nm制程稍有不足，两个版本的iPhone功耗存在大约5%至10%的差距，换句话说，三星版本更耗电。
当然，三星也没有完全放弃与高通、英伟达等公司的合作。三星在一些12nm芯片的制造中也承接了一些代工订单。首先是因为台积电的产能有限，所以一些客户转而与三星合作；其次，除了苹果等客户也希望培养备胎供应商。否则，当台积电不断提高价格时，他们无法承受，希望找一个第三方来降低成本。
所以，一些客户会有意无意地给三星一些订单，帮助他提升水平，看看他是否能够再进一步发展。所以三星、台积电以及它们的一些大客户之间存在着微妙的商业关系。他们既不希望三星做得太好，也不希望三星做得太差。
台积电希望在技术上始终超过三星，而三星则希望抢回一些客户，这是一个非常微妙的关系。
刘兴亮：苹果为什么要在台积电的一棵树上吊死，本来他也有两只船？
陈启：客户在选择合作伙伴时通常会保持一定的惯性，我们称之为半导体设计工艺制造一体化（DTCO）。
作为客户，注重实际效果、性能、良率和各方面的成本，而台积电愿意投入大量资金进行研发，以响应客户的一体化需求。一般来说，这种关系很难被撬动，而报价只是考虑因素之一，但绝对不是唯一的考虑因素，客户会综合考量。
如前面所说，你可能比台积电便宜5%，但如果你的产品体验非常差，导致我无法卖出手机，那我为什么要在成本上节省5%呢？
台积电CEO魏哲家与苹果CEO 库克
苹果的策略会给其他客户带来标杆示范效应，避免和三星试水新工艺成为小白鼠，进而带来风险。
另外，相对于台积电来说，三星可能在客户群体上有所差异，数量差距也巨大。台积电提供各种制程，从成熟的12英寸制程到最先进的30nm和5nm制程都有，而三星只专注于中间和前沿的部分，只提供20nm以下的先进工艺。
刘兴亮：客户与企业的惯性是否会让台积电越吃越跑，而让三星越来越瘦，有这种可能吗？
陈启：一般来讲芯片行业基本上都是赢者通吃，所以观察台积电的整体营收，一直以来都是行业第一，并且保持在50%-60%左右的市占率，直到2018年后，三星横空出世，先后承接苹果、英伟达、高通的订单，而现在大概是15%-18%的份额。
另外三星的份额来自联华电子、格罗方德，特别是格罗方德，从原来10%掉到10%以下。这很明显是老大、老二打架，老三吃亏。
这个事情很常见，经常出现在半导体行业又或者是老二，老三竞争将老大边缘化。总之两个行业巨头在竞争，如果不跟进，你的市场份额就会被“吃掉”。
刘兴亮：我们也看到其实三星并不甘心，他已经在3nm上押了重注，率先宣布了3nm的GAA工艺量产。英伟达也在和三星试水这一工艺，如果三星要从台积电再将客户抢回，从三星的角度来看关键点在什么地方？
陈启：尽管三星充满信心，要与台积电在3nm制程上展开竞争，但根据我在业内的实际观察，第一个方面是良率，这对于代工工厂来说是生命线，因为客户与代工厂会签署关于良率的保证书，对于客户来说，良率是成本，也是他们与竞争对手竞争的成本。
举个例子，如果我拥有100颗芯片，其中有99颗是可用的，只有一颗是废品。如果我选择去其他代工工厂，而在那里，我在100颗芯片中只有90颗是可用的，那么我就会损失十颗芯片。对于一家公司来说，这十颗芯片可能是利润，也可能是生存的关键。
良率问题上，三星与台积电之间存在差距，在没有完全解决这个问题之前，三星要挑战台积电还不好说，这还要看三星对工艺的把控能力，通过巨大投入来提升良率，以及获得行业标杆客户，这是三星弯道超车的关键。
第二个方面是整个生态体系。相比三星，围绕在台积电周边的生态系统更为庞大。不管是布线、仿真，还是流片，都有大量第三方公司可以外包，客户就只需专注于自身擅长的部分，其他环节只需支付费用就能解决。但是三星在这方面，我没有听说过有哪家大型第三方服务公司能够提供从后端到验证，布线设计，仿真以及流片等一揽子服务。
刘兴亮：如果这些订单能够转向三星，再从台积电的角度或者苹果、高通以及客户角度来看，可能的原因又有哪些？
陈启：首先可能是因为MBCFET新晶体管工艺，这是三星首次开发出来的工艺，目前台积电还没有。它可以控制良率和成本，如果让像高通、英伟达、AMD等企业认为基于商业成本考虑选择在三星流片是可靠且可行的，那么我认为这方面还有较大的可行性。
第二点是关于三星的主营业务是存储领域，如果利用好先进工装工艺，将一些高性能芯片（如CPU、GPU或AI推理芯片）与HBM（高宽带内存）结合在一起，效率要高上千倍，三星有自研HDM技术，如果三星能够在这个领域打下坚实的基础，也有可能吸引客户，但这方面也有困难，为像台积电这样的公司在先进封装领域同样表现出色。
刘兴亮： 三星跟台积电相比老感觉差一口气，到底差在什么地方？另外三星有可能超越台积电吗？可能性多大？
陈启：有，但是不大，比如我之前提到的，如果三星能够提供更多的服务，例如内存方面的HBM内存，是否能够直接与客户进行合作，或者是否有更好的封装工艺可以提供给客户进行封装？这样可以给客户提供更多附加值。另一方面是供应水平和良率问题。
刘兴亮：在芯片行业里面有个非常著名的摩尔定律，晶体管大概每18个月左右性能要翻一番，价格降到一半，但现在从5nm到3nm性能上去了，但良率下降，是不是成本也上升了？
陈启：非常正确，所以现在有一个新的概念叫后摩尔时代。
刘兴亮：这是不是意味着摩尔定律失效？
陈启：从传统集成电路工艺上面来讲，确实是失效了，因为它已经不再是每隔18个月性能翻倍。摩尔定律原文是每隔18个月晶体管数量翻倍但是价格不变或者是铜晶体管的价格减一半。
28nm工艺之后，性能和成本之间的对应关系已经被打破。几十年前，行业就已经开始讨论，总有一天成本不再下降而上升，这实际上就是摩尔定律的最后一条被打破的时刻。
所以，行业提出了后摩尔时代的概念，并认为发展将分为两个方向。
第一种方向是针对有需求的客户，即那些从事数字电路、先进逻辑设计的客户，他们继续追求高性能。如我之前所述，他们希望在一个平方毫米的芯片面积上塞入大量的晶体管，采用先进的数字制程；第二种方向是多元化，这意味着将不同种类的处理器（如CPU、GPU、DPU等）整合到一个异构架构的芯片中，然后使用先进封装技术进行封装。
我们将这种方案称为超越摩尔，即后摩尔时代。
03
高通、英伟达、联发科，谁先上车？
刘兴亮：从5nm到这个3nm的迭代。简单的数字变化到底能够给客户，包括用户带来怎样的好处？
陈启：两个维度可以解答这个问题，首先是数字的变化，从5到3，表示着集成电路工艺的变化。
每一代集成电路工艺相比上一代都有各方面的提升，包括但不限于性能的提升和晶体管密度的提高。在相同功耗下，速度可以更快；在相同性能下，功耗可以降低。
在集成电路领域，我想向大家科普一个小知识，那就是集成电路工艺中的核心逻辑，称为PPA，代表三个英文字母，分别是性能（Performance）、功耗（Power）、面积（Area）。大家都喜欢有一种新的工艺，与上一代工艺相比，希望性能得到提升，功耗降低，面积缩小，这样综合成本就更低，这也是集成电路摩尔定律一直追求的目标，这一追求一直延续至今。
并非每个客户都需要绝对的低功耗或高性能，我们通常以手机测试作为准则，比如在台积电N3工艺中，一些客户追求的是N3E的低功耗版本。这种版本可能会降低手机的发热量，从而提高电池的续航能力，这是比较实际的考量。而对于需要高性能运算的客户来说，关注的是浮点运算能力的提升。
（对于需要高性能的客户）假设在5nm工艺中，原来的业务需要100颗芯片才能达到目标算力，那么在3nm工艺中，可能只需要40颗芯片就能实现相同的算力。综合考虑，对于这些客户来说，采用3nm工艺更具成本效益。
每一代工艺的性能、面积和功耗都在不断变化，这些变化在客户终端上得到反映，要么是性能提升，要么是功耗降低，要么是综合能力提升。从设计公司的角度来看，采用新工艺给予他们更大的平台发挥空间，也对直接的客户有所益处。
刘兴亮：您能不能大概的算一算，从5nm到3nm他的成本到底是下降还是上升？生产一颗3nm和5nm的芯片它各需要多少钱？
陈启：这也每家客户和台积电之间的一个商业机密，我们只能去猜测大致的制造成本。
制造成本目前来讲，大概5nm到3nm的流片费用大概占到了30%-40%，3nm一片晶圆大概是22000-24000美金的代工费，上面有多少颗芯片，也就能计算出单颗芯片的成本。相比之下，这只是最小的一部分，占比大的则是IP和Mask工具以及各种授权，价格非常贵。
Mask即掩模板，由于与晶体管的密度、数量和性能密切相关的是光罩的层数，如果需要进行50次、60次或80次的光刻操作，那么将需要相应数量的光罩设备，其成本高达数千万美元一套。
此外，流片过程中创建Code，除了自带的技术、工具和资产，还有很多TECD工具，也需要付费。另外一部分费用是IP开发费用，还是以台积电为例，他们花费了数百亿美元来开发3nm工艺，其中版权费就达到了上亿美元。
所以将芯片的制造成本全都加起来，估计大约在三到四亿美元之间。在全球范围内，只有极少数客户能够承担这样的芯片制造成本，数不过五个。
刘兴亮：台积电到目前为止，有哪些基本确定3nm的客户，对应哪些具体的产品？能否预估一下目前3nm芯片的市场规模到底有多大？
陈启：因为成本太高，全世界并不是每个公司都能负担得起这样的芯片。
对于某些公司来说，他们可能会投入大量资金，例如英伟达、AMD和高通这样的大型公司以及特斯拉这样从事FSD自动驾驶技术的公司需要使用这样的芯片。
因为投资需要从产品的成本中收回，如果无法收回的话，对设计客户来说就是亏损了。因此，很多公司在导入先进制程方面非常谨慎。这个市场的规模可能不会太大，只是由于芯片的单片毛利率很高，具有吸引力。
据估计，台积电如果能充分利用产能，预计可以实现几十亿美元的营收，相当于占据整个市场的5%至10%之间。
刘兴亮：目前代工有台积电和三星，英特尔现在也在做准备，三星追赶台积电都这么辛苦，英特尔有机会吗？
陈启：英特尔的2.0计划是在前任CEO上任后提出的一项新战略。该计划旨在整合各个部门，并且其中一个重要方向是进行代工制造。
为了开展代工业务，英特尔先前还收购了以色列的高塔公司。然而，由于特定原因，该交易未能得以实现。
在我看来，英特尔在代工方面可能做不好。技术方面来说，英特尔应该没有问题。尽管人们经常把英特尔称为"牙膏厂"，然而，在工艺水平方面，英特尔到目前为止仍给台积电带来了一定压力。它的问题在于缺乏代工的理念和文化。从根本上说，它没有DNA来支持其开展代工业务。
前不久，台积电前研发处处长杨光磊，参观英特尔后发表了一番评论。起初，他认为英特尔有20%的成功机会，但在观察了英特尔之后，他认为成功的概率只有1%。
刘兴亮：您觉得大概还需要多久？我们这个3nm在这个市面上能够普及呢？
陈启：看后续几个主要客户，主要是英伟达、AMD和高通，因为它们是比较确定的，很可能在未来一两年内会采用。只要有一个竞争对手采用了某款芯片，其他竞争对手一定会跟进。
今年苹果取得了突破，使用了3nm技术的芯片，联发科或许就将看情况跟进，类似这样的主要客户和潜在客户对3nm芯片有真正需求。只要的竞争对手采用了，自然也会跟进，会被市场推着强迫去使用，因为如果不使用，性能和功耗就无法与竞争对手抗衡，没有其他办法可选。
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