即便沒有在2022年如期推出3nm量產(chǎn)，也是十分正常的事情,。

在突破先進(jìn)制程的道路上,，身為芯片代工龍頭的臺(tái)積電從來(lái)不會(huì)吝惜在資金上的投入。

據(jù)臺(tái)媒報(bào)道,，臺(tái)積電在2020年資本開支170億美元,，創(chuàng)下了歷史新高，這其中絕大部分用于5nm的技術(shù)突破,。

隨著3nm風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)在即,，臺(tái)積電在新一年的開支也將破新高。

但根據(jù)Digitimes的最新報(bào)道,，臺(tái)積電在3nm制程工藝的研發(fā)上遇到了關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸,，研發(fā)也不得不推遲。

推遲的3nm

早在去年4月,，受到疫情的影響,，EUV光刻機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備在物流上受到延誤，這也導(dǎo)致臺(tái)積電在設(shè)備安裝上遲遲無(wú)法按期完成,，原計(jì)劃在6月份風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)的3nm FinFET工藝,，延期到10月份。

相應(yīng)的,，臺(tái)積電南科18廠原定于10月份安裝設(shè)備的3nm生產(chǎn)線也被順延一個(gè)季度,，直到11月24日才正式開工,，而量產(chǎn)則被延期到2022年。

目前尚不清楚臺(tái)積電在3nm工藝研發(fā)過(guò)程中遇到的關(guān)鍵瓶頸具體指什么,，但如果想順利在2022年完成量產(chǎn),，臺(tái)積電必須在技術(shù)上有所突破。

此前,，臺(tái)積電CEO魏哲家在財(cái)報(bào)分析師電話會(huì)議上曾透露,，他們的3nm工藝仍將采用成熟的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)（FinFET）。而作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的三星在3nm工藝上將采用環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）技術(shù),。

盡管相比于N5（5nm）,，臺(tái)積電N3的密度提高了50％，但工藝上依舊是FinFET,，換句話說(shuō),，這次的臺(tái)積電太過(guò)于“保守”了。

這背后,，是臺(tái)積電意圖兼顧成本與效能,。畢竟從三星宣布的相關(guān)信息來(lái)看，3nm GAA技術(shù)的成本可能會(huì)超過(guò)5億美元,，且其制造工藝與傳統(tǒng)的FinFET有一定的相似之處,，但在技術(shù)要求和難度上更上一層臺(tái)階。

就FinFET技術(shù)本身,，隨著晶體管尺度向3nm 邁進(jìn),，其尺寸已經(jīng)去向縮小至極限。此時(shí),，無(wú)論是鰭片距離,、短溝道效應(yīng)、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得岌岌可危,，甚至物理結(jié)構(gòu)都無(wú)法完成,。

可以推測(cè)的是，臺(tái)積電已經(jīng)找到了可行的改進(jìn)方案,，只是目前遇上了瓶頸,。

5nm工藝“翻車”？

有人說(shuō),，手機(jī)SoC前幾年井噴式的發(fā)展,，主要是受益于芯片工藝以及散熱技術(shù)的進(jìn)步。伴隨著技術(shù)和材料上的限制,，手機(jī)SoC的瓶頸已經(jīng)在5nm工藝上得到了體現(xiàn),。

隨著小米11的正式發(fā)布，短短幾個(gè)月里,，蘋果,、華為,、三星還有高通都相繼發(fā)布了各自的5nm芯片。

但從各家媒體的評(píng)測(cè)來(lái)看,，這幾家公司的芯片都或多或少出現(xiàn)翻車的情況,，實(shí)際性能提升并沒有宣傳中那么優(yōu)秀。

以驍龍888為例,，這款芯片采用三星5nm LPE制程工藝,，在這款芯片發(fā)布之前，蘋果A14和麒麟9000芯片都采用了臺(tái)積電代工的5nm制程工藝,。

愛否科技的評(píng)測(cè)顯示,，在3DMark壓力測(cè)試中，首發(fā)搭載驍龍888的小米11一直提醒溫度過(guò)高,，導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法進(jìn)行,。并且，在經(jīng)過(guò)連續(xù)幾次的測(cè)試后,，機(jī)身表面溫度達(dá)到了51度,，而穩(wěn)定性只有91％。這一問(wèn)題在多家測(cè)評(píng)中均有出現(xiàn),。

針對(duì)小米11的翻車，有人把原因歸結(jié)于測(cè)試機(jī)相對(duì)較老的固件以及Arm和高通的設(shè)計(jì)問(wèn)題,，但事實(shí)上除了三星代工的驍龍888以外,，由臺(tái)積電代工的5nm芯片同樣表現(xiàn)不理想。

比如相比A13,，A14的性能提升并不明顯,，而華為的麒麟9000芯片，功耗控制較之官方數(shù)據(jù)也存在較大差異,。

單從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,，今年的5nm制程工藝，不管是臺(tái)積電還是三星,，實(shí)際表現(xiàn)都沒能達(dá)到官方所宣傳的效果,。

仔細(xì)來(lái)看，臺(tái)積電每隔兩年就將密度提升1．8倍的速度相當(dāng)激進(jìn),，遠(yuǎn)高于業(yè)界水平,，而三星同樣在追趕臺(tái)積電的道路上加快了腳步。

所以目前的臺(tái)積電在3nm上依然十分激進(jìn),，并且沒有前人的經(jīng)驗(yàn),，即便沒有在022年如期推出3nm量產(chǎn)，也是十分正常的事情,。

缺電,，臺(tái)積電最大的隱患

在解決完工藝上的問(wèn)題后,，“缺電”就成了臺(tái)積電3nm道路上的最大威脅。

作為用電大戶,，臺(tái)積電前幾年的用電量就占據(jù)了全臺(tái)灣用電量的5％以上,。

根據(jù)臺(tái)積電企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告書，2016年臺(tái)積電用電量就已高達(dá)88．53億度,，較2015年增加了11％,。當(dāng)時(shí)臺(tái)積電僅在竹科的Fab耗電功率已經(jīng)超過(guò)72萬(wàn)千瓦。到了2019年,，臺(tái)積電的耗電量猛增到143．3億度,。

在過(guò)去五年臺(tái)灣增長(zhǎng)的用電量中，有三分之一都被臺(tái)積電占用,，而這只是臺(tái)灣地區(qū)龐大半導(dǎo)體企業(yè)中的一員,。

按照原計(jì)劃的3nm量產(chǎn)時(shí)間，2022年到2023年應(yīng)備總供電容量增加近100萬(wàn)千瓦,，2024年到2025年進(jìn)一步大增257．6萬(wàn)千瓦,，而這恰好與臺(tái)積電3nm以及2nm量產(chǎn)時(shí)間相符合。

按照臺(tái)積電的估算,，臺(tái)灣地區(qū)的備用電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足臺(tái)積電的需求,。

臺(tái)積電造的每一顆芯片需要經(jīng)過(guò)近3000道工序才能完工，而這其中需要利用大量的半導(dǎo)體設(shè)備,，并一直維持恒溫,、高壓等各種復(fù)雜環(huán)境，這一切都需要電,，芯片越多,、制程越先進(jìn)，用的電就越多,。

由于7nm以下的先進(jìn)工藝制程必須要使用EUV光刻機(jī),，而一臺(tái)EUV光刻機(jī)，一天耗電3萬(wàn)度,。SK海力士此前就曾表示,，“EUV的能源轉(zhuǎn)換效率（wall plug efficiency）只有0．02％左右?！睒O紫外光本身的損耗過(guò)大,，這也是造成轉(zhuǎn)換率低的一大原因。

數(shù)據(jù)顯示,，EUV機(jī)臺(tái)用電量占臺(tái)積電公司能源使用50％以上,，如果EUV機(jī)臺(tái)數(shù)量逐年增加，那么臺(tái)積電對(duì)于電能的消耗也將進(jìn)一步快速增長(zhǎng),。

早在2015年的時(shí)候,，張忠謀就指出,，困擾臺(tái)積電發(fā)展的唯一要素就是缺電、停電,，這一影響對(duì)于現(xiàn)階段的臺(tái)積電已經(jīng)是不可估量的,。如果后期的3nm、2nm工廠也出現(xiàn)停電情況,，損失方面將會(huì)是5nm生產(chǎn)線的幾倍,。

結(jié)語(yǔ)

在目前的情況之下，無(wú)論是GAA還是FinFET,，都存在技術(shù)上的瓶頸,。除了臺(tái)積電的3nm受限以外，無(wú)獨(dú)有偶,，三星的3nm似乎也不順利,，其晶圓工廠已經(jīng)將進(jìn)度調(diào)后。

圖 ｜ 三星公布的5nm成本

不過(guò),，業(yè)內(nèi)人士對(duì)于“臺(tái)積電2022年開始量產(chǎn)3nm工藝”還是充滿信心,。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了解決技術(shù)上的難題以外,，臺(tái)積電還要從節(jié)省能源上下足功夫,。