晶圆代工3纳米制程量产后，大厂订单争霸战持续白热化，究竟目前宣布已量产或计画量产的三家大厂台积电、三星、英特尔各有何种技术进展与优势，牵动后续研发投资进展？


01
台积电：3纳米制程需求非常强劲

台积电3纳米采鳍式场效电晶体（Fin Field-Effect Transistor，FinFET）架构去年第4季底如期量产后，后续3纳米阵容将持续扩大。台积电3纳米家族包含N3、N3E、N3P与N3X等，并无外界原本预测的N3B。

卡在2022年的最后几天，台积电兑现了年内量产3nm工艺芯片的承诺。12月29日，台积电在台南科学园区举办3nm量产暨扩厂典礼，正式宣布启动3nm大规模生产。这座总投资高达6000亿新台币的超级工厂，在满产后的月产能将实现6万片12英寸晶圆，创下了台积电单笔投资建厂的纪录。

台积电虽未直接提供3纳米良率数据，仍是全球首家喊出3纳米量产初期良率已和5纳米同期相当，明显有别竞争对手闭口不谈良率。

台积电预定N3E作为3纳米家族的延伸，将为智慧手机和高速运算相关应用提供完整的支持平台。台积电指出，N3E技术预计2023年下半年量产。

尽管库存调整仍在持续，但公司观察到N3和N3E皆有许多客户参与，量产第一年和第二年的产品设计定案数量将是N5的两倍以上。

台积电3纳米2022年内率先在台湾南科量产，以南科晶圆十八厂作为3纳米主要生产基地，并无外传于竹科生产3纳米的状况，后续2纳米规划在竹科与中科先后量产，规划共计六期工程。另外，台积电全球研发中心将于2023年第2季在竹科开幕，将可进驻8,000位研发人员。

台积电3纳米在台湾量产成熟后，也将导入美国新厂。台积电指出，该公司除了在台湾持续扩建3纳米产能，在美国的第二期建厂亦同步展开，预计亚利桑那州晶圆厂2026年开始生产3纳米制程技术。

台积电预估，3纳米制程技术量产第一年带来的收入将优于5纳米在2020年量产时的收益，预计3纳米制程技术将在量产五年内释放全世界约1.5兆美元终端产品的价值。

02
三星：拼成为美国最先进晶圆厂

三星于2022年在6月30日透过新闻稿宣布，采用环绕式闸极（GAA）架构的3纳米量产，该制程首次应用于高效能、低功耗的运算领域，并计画拓展至行动处理器。

三星规划，下世代3纳米3GAP预定2023年量产，更先进的2纳米制程2025年量产，2027年量产1.4纳米制程。

三星是在南韩华城厂区生产首代3纳米制程，后续并规划于平泽厂扩充该制程产能。三星预期，平泽P3新厂整合记忆体以及逻辑IC代工，并于去年5月设备进厂、去年7月到位，按照计画将先开出NAND芯片产能，后续才会开出3纳米晶圆代工产能。

三星扩充晶圆代工先进制程集中南韩本地，后续计画在3纳米量产成熟后导入美国德州厂。三星先前也在2022北美论坛上释出，最快2026年3纳米环绕闸极技术（GAA）制程将在美国生产，未来目标成为美国最先进晶圆厂，这也代表3纳米美国制造竞争趋于白热化。

招募资料显示，三星泰勒新厂是三星继奥斯汀之后，第二个位于美国的生产据点，预定投资170亿美元、2024年下半年投产。由于去年还没有泰勒晶圆代工的组织单位，因此新聘用的人力将先挂在三星奥斯汀公司法人下，基础设施建设和运营管理职位刚起步。

三星和台积电在晶圆代工领域的竞争主要在台湾、南韩两地。三星晶圆代工部门官方资讯显示，在美国仅有德州设有12吋厂生产65纳米乃至14纳米制程，若未来扩充顺利，将有美国第二个厂，在南韩本地扩充也相当积极。

三星已在2022年5月在南韩平泽启动建设5纳米极紫外光（EUV）工厂，先前华城厂区量产5纳米后又率先量产3纳米，合计南韩本地已有至少六大生产基地（包含一个封装测试厂、一个8吋厂与四个12吋厂）。

三星规划未来20年内投资1,921亿美元，在美国德州建造11个新工厂。11个工厂中有九个位于泰勒，其余两个位于奥斯汀市的庄园独立学区。三星去年12月已获得泰勒九个减税申请核准，并正在等待庄园剩余两个的批准。


03
英特尔：四年内大跨步推展制程

在基辛格重返英特尔担任CEO以后，他定下了雄心勃勃的IDM 2.0计划。

时任英特尔代工服务总裁 Randhir Thakur（现在已经离职）在去年11月接受日经亚洲采访时表示：“我们的目标是在本世纪末成为世界第二大代工厂，并且 [我们] 期望产生领先的代工利润率”。

如上所说，3nm毫无疑问将成为英特尔的一个关键节点。

按照英特尔所说，Intel 3 将共享Intel 4 的一些特性，但足够新来描述这个新的完整节点，特别是新的高性能库。其每瓦性能比Intel 4 提高 18%。

因为英特尔把intel 4当作intel 3的基础，外媒semiwiki也将其与台积电3nm比较，我们在这里介绍一下已经有更多消息披露的intel 4的工艺细节，以给大家对intel 3的期望提供更多参考。

据介绍，Intel 4 是相对于 Intel 7 的全节点缩减，在相同的功率范围内估计性能提高了 20%，或者在相同的时钟下功率降低了 40%。这是英特尔自重新启动其作为其他芯片设计商的客户代工厂以来宣布的第一个全节点缩减，但该公司并不期望其新客户部署intel 4，尽管它强调他们将能够如果他们愿意，可以使用它。相反，英特尔认为，当该工艺可用时，其未来的前沿代工客户将主要瞄准intel 3，其原因之一是英特尔 4 针对高性能芯片进行了优化。

英特尔将在 Intel 4 工艺中将 EUV 引入制造，然后在 Intel 3 中深化该技术的使用。据英特尔称，在没有 EUV 的情况下，从Intel 7 到Intel 4，每个 CPU 需要使用的掩模数量将增加 30%。相反，Intel 4 所需的掩膜数量下降了 20%。总流程步骤减少了 5%。

与台积电一样，英特尔最初对 EUV 的采用将受到限制。据报道，该公司正在使用 EUV 进行接触，但仅限于某些金属层和通孔。台积电和三星都将 EUV 用于触点、通孔和金属层。预计英特尔将通过Intel 3 扩大其对 EUV 的采用，因此这种差距将随着时间的推移而缩小。

英特尔近期甫推出第四代Intel Xeon可扩充处理器（代号为Sapphire Rapids），在单一封装结合最高四个采用Intel 7制程打造的芯片块，供应资料中心、AI运算等应用。

英特尔先前就已展现在制程技术方面的强烈企图心与进展计画，要在四年内大跨步发展五个制程节点，除了已经推出的Intel 7制程外，Intel 4制程产品规画于今年开始出货，Intel 3制程将于2023年下半年准备生产。后续Intel 20A制程（相当于2纳米）预计将于2024年上半准备量产，而Intel 18A制程原预计2025年初问世，但相关时程已提早到2024年下半可以量产。

04
昂贵的价格

根据DigiTimes报道，台积电3nm FinFET工艺圆晶目前的每片报价已经突破2万美元，相比7nm工艺的价格翻倍，相比5nm工艺的涨幅也有25%，并可能在2023年进一步上涨。尽管三星3nm GAA工艺的价格也迎来了上涨，但在价格上还是继续延续了之前的优势。

高通的情况则不太相同，长期以来主要是与三星在芯片代工上进行合作，然而在经历骁龙888和骁龙8 Gen 1连续两代产品的失败之后，不得不转向工艺更成熟的台积电，以代工骁龙8+ Gen 1和刚发布不久的骁龙8 Gen 2。

除了更高的报价，高通过往更多考虑三星而非台积电，主要是台积电更优先满足苹果的订单需求，其次还有与三星旗舰机上采用骁龙芯片的秘密合同，这些可能都是促使高通再次回归三星代工的原因。

芯片设计厂商对于代工价格上涨不满，而台积电也是有苦难言。从成本核算的角度来看，第三方分析机构IBS曾算过一笔账，晶圆厂在3nm制程的工艺研发投入达到40亿美元-50亿美元，建一座3纳米制程、每月生产4万片的生产线，成本约为150亿美元-200亿美元，这还只是晶圆厂的投入。

先进制程芯片的开发费用同样不遑多让，其研发费用主要包括芯片设计、IP、EDA、设备等，根据第三方半导体研究机构Semi engineering计算，28纳米制程的开发费用大约为5130万美元，到16纳米制程需要投入1亿美元，到5纳米制程节点，这个费用达到5.42亿美元。

根据行业媒体Semianalysis的测算，相较于台积电5nm制程工艺，目前3nm测试芯片在晶体管密度上提高56%，成本增加了约40%。换算下来，3nm制程工艺芯片的单个晶体管的成本降低约11%，“这几乎是50 多年来主要工艺技术的最弱扩展”。

这对于芯片设计公司是无论如何都无法接受的，尽管先进制程的利润丰厚，但投入和风险也更大。尤其是在消费电子市场疲软的大背景下，芯片厂商大概率不会冒险增加成本去推动芯片制程的升级，未来行业内“挤牙膏”式的产品迭代或将成为常态。


总结

如今，芯片对于整个电子行业的核心作用越发被重视，中国、美国、欧盟都在试图强化本国的芯片产业，其中先进工艺更是代表了芯片科技的最前沿，3nm之争既不是开始，也不会是终点。