即便台积电没有在 2022 年如期推出 3nm 量产,也是十分正常的事情。

 

在突破先进制程的道路上,身为芯片代工龙头的台积电从来不会吝惜在资金上的投入。

 

据台媒报道,台积电在 2020 年资本开支 170 亿美元,创下了历史新高,这其中绝大部分用于 5nm 的技术突破。

 

随着 3nm 风险试产在即,台积电在新一年的开支也将破新高。

 

但根据 Digitimes 的最新报道,台积电在 3nm 制程工艺的研发上遇到了关键技术的瓶颈,研发也不得不推迟。

 

推迟的 3nm

早在去年 4 月,受到疫情的影响,EUV 光刻机等关键设备在物流上受到延误,这也导致台积电在设备安装上迟迟无法按期完成,原计划在 6 月份风险试产的 3nm FinFET 工艺,延期到 10 月份。

 

相应的,台积电南科 18 厂原定于 10 月份安装设备的 3nm 生产线也被顺延一个季度,直到 11 月 24 日才正式开工,而量产则被延期到 2022 年。

 

 

目前尚不清楚台积电在 3nm 工艺研发过程中遇到的关键瓶颈具体指什么,但如果想顺利在 2022 年完成量产,台积电必须在技术上有所突破。

 

此前,台积电 CEO 魏哲家在财报分析师电话会议上曾透露,他们的 3nm 工艺仍将采用成熟的鳍式场效应晶体管技术(FinFET)。而作为竞争对手的三星在 3nm 工艺上将采用环绕栅极晶体管(GAAFET)技术。

 

尽管相比于 N5(5nm),台积电 N3 的密度提高了 50%,但工艺上依旧是 FinFET,换句话说,这次的台积电太过于“保守”了。

 

这背后,是台积电意图兼顾成本与效能。毕竟从三星宣布的相关信息来看,3nm GAA 技术的成本可能会超过 5 亿美元,且其制造工艺与传统的 FinFET 有一定的相似之处,但在技术要求和难度上更上一层台阶。

 

图 | GAA 比 FinFET 功耗降低

 

就 FinFET 技术本身,随着晶体管尺度向 3nm 迈进,其尺寸已经趋向缩小至极限。此时,无论是鳍片距离、短沟道效应、还是漏电和材料极限也使得晶体管制造变得岌岌可危,甚至物理结构都无法完成。

 

可以推测的是,台积电已经找到了可行的改进方案,只是目前遇上了瓶颈。

 

5nm 工艺“翻车”?

有人说,手机 SoC 前几年井喷式的发展,主要是受益于芯片工艺以及散热技术的进步。伴随着技术和材料上的限制,手机 SoC 的瓶颈已经在 5nm 工艺上得到了体现。

 

随着小米 11 的正式发布,短短几个月里,苹果、华为、三星还有高通都相继发布了各自的 5nm 芯片。

 

但从各家媒体的评测来看,这几家公司的芯片都或多或少出现翻车的情况,实际性能提升并没有宣传中那么优秀。

 

以骁龙 888 为例,这款芯片采用三星 5nm LPE 制程工艺,在这款芯片发布之前,苹果 A14 和麒麟 9000 芯片都采用了台积电代工的 5nm 制程工艺。

 

爱否科技的评测显示,在 3DMark 压力测试中,首发搭载骁龙 888 的小米 11 一直提醒温度过高,导致测试无法进行。并且,在经过连续几次的测试后,机身表面温度达到了 51 度,而稳定性只有 91%。这一问题在多家测评中均有出现。

 

针对小米 11 的翻车,有人把原因归结于测试机相对较老的固件以及 Arm 和高通的设计问题,但事实上除了三星代工的骁龙 888 以外,由台积电代工的 5nm 芯片同样表现不理想。

 

 

比如相比 A13,A14 的性能提升并不明显,而华为的麒麟 9000 芯片,功耗控制较之官方数据也存在较大差异。

 

单从测试结果来看,今年的 5nm 制程工艺,不管是台积电还是三星,实际表现都没能达到官方所宣传的效果。

 

仔细来看,台积电每隔两年就将密度提升 1.8 倍的速度相当激进,远高于业界水平,而三星同样在追赶台积电的道路上加快了脚步。

 

所以目前的台积电在 3nm 上依然十分激进,并且没有前人的经验,即便没有 2022 年如期推出 3nm 量产,也是十分正常的事情。

 

缺电,台积电最大的隐患

在解决完工艺上的问题后,“缺电”就成了台积电 3nm 道路上的最大威胁。

 

作为用电大户,台积电前几年的用电量就占据了全台湾用电量的 5%以上。

 

根据台积电企业社会责任报告书,2016 年台积电用电量就已高达 88.53 亿度,较 2015 年增加了 11%。当时台积电仅在竹科的 Fab 耗电功率已经超过 72 万千瓦。到了 2019 年,台积电的耗电量猛增到 143.3 亿度。

 

在过去五年台湾增长的用电量中,有三分之一都被台积电占用,而这只是台湾地区庞大半导体企业中的一员。

 

按照原计划的 3nm 量产时间,2022 年到 2023 年应备总供电容量增加近 100 万千瓦,2024 年到 2025 年进一步大增 257.6 万千瓦,而这恰好与台积电 3nm 以及 2nm 量产时间相符合。

 

按照台积电的估算,台湾地区的备用电量远远无法满足台积电的需求。

 

台积电造的每一颗芯片需要经过近 3000 道工序才能完工,而这其中需要利用大量的半导体设备,并一直维持恒温、高压等各种复杂环境,这一切都需要电,芯片越多、制程越先进,用的电就越多。

 

由于 7nm 以下的先进工艺制程必须要使用 EUV 光刻机,而一台 EUV 光刻机,一天耗电 3 万度。SK 海力士此前就曾表示,“EUV 的能源转换效率(wall plug efficiency)只有 0.02%左右。”极紫外光本身的损耗过大,这也是造成转换率低的一大原因。

 

 

数据显示,EUV 机台用电量占台积电公司能源使用 50%以上,如果 EUV 机台数量逐年增加,那么台积电对于电能的消耗也将进一步快速增长。

 

早在 2015 年的时候,张忠谋就指出,困扰台积电发展的唯一要素就是缺电、停电,这一影响对于现阶段的台积电已经是不可估量的。如果后期的 3nm、2nm 工厂也出现停电情况,损失方面将会是 5nm 生产线的几倍。

 

结语

在目前的情况之下,无论是 GAA 还是 FinFET,都存在技术上的瓶颈。除了台积电的 3nm 受限以外,无独有偶,三星的 3nm 似乎也不顺利,其晶圆工厂已经将进度调后。

 

图 | 三星公布的 5nm 成本

 

不过,业内人士对于“台积电 2022 年开始量产 3nm 工艺”还是充满信心。而要实现这一目标,除了解决技术上的难题以外,台积电还要从节省能源上下足功夫。