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半导体作为人类科技前进的技能中心，曩昔一向按摩尔定律行进。这期间由于智能手机芯片小型低功耗的特殊要求，又显着扩展了制程微型化的效果。

台积电就沿着晶体管缩小这条途径屡试不爽，一直保持着职业*。从180nm到3nm，台积电用20年时刻熬走了99%的竞争对手。特别28nm后，在FinFET技能上逐步甩开竞争对手，14nm以下根本处于商场独占位置。

可是，即使熬走了对手台积电还要面临一个更扎手的问题：摩尔定律的衰减，使得晶体管微型化变得越来越困难。

硅基半导体的技能演进，每18 -24个月晶体管的数量翻倍带来芯片功用前进一倍，或本钱下降一半。十多年来，CPU和GPU的功用每两年多稳步前进一倍，而晶体管密度每三年翻一番，动力功率用了近四年的时刻才到达这一方针，摩尔定律仍在行进但在显着放缓。

而且，终端商场需求逐步从智能手机转向人工智能，这种改变又带来了一个看似相悖的现象：需求会集在云端的高算力AI芯片，一边要求运用先进制程，一边又要求本钱平衡。

这种状况下，全周围栅极（GAA）的呈现，从技能层面为制程打破供给了可行解决方案，但伴随着制程杂乱性的添加和制作本钱的剧增。而芯片制作商要在推进技能创新的一起考虑本钱和可行性，所以先进封装就成了代工厂的另一把尖刀。

刚好，这两条途径被台积电为数不多的对手三星和英特尔拿捏了。

在3nm节点，三星挑选GAA以期完结追逐跨越式开展，台积电则据守FinFET；英特尔则计划在2nm节点赶上台积电，且期望在先进封装技能上大力投入树立优势。

那么问题来了，用台积电的办法打败台积电，可行吗？

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从3nm开端超车

在半导体制程技能中，2nm的确被视为或许的物理极限。由于当晶体管的尺度缩小到这个程度时，量子效应开端变得显着，或许会导致电子的行为变得不行猜测。

这种现象被称为量子地道效应，它或许会导致电子“跳动”到它们不该该去的当地，然后导致芯片的功用下降。

全周围栅极（GAA）晶体管是一种新式的晶体管规划，它能够在更小的制程下供给更好的功用。

在GAA晶体管中，栅极材料包围了晶体管的源和漏，然后供给了更好的电流操控。这能够帮忙削减量子地道效应，然后使得在2nm乃至更小的制程下的芯片制作成为或许。

而从规划来看，台积电、三星和英特尔不谋而合的搞起了制程竞速赛，尽管大的时刻节点都是2022-2023年进入3nm、2025年进入2nm商业化阶段。但细微处仍有不同：

在要害的3nm节点上，三星稀有的首先量产，而且仍是用更先进的GAA技能。台积电尽管随后也宣告了3nm量产，不过仍是沿袭FinFET技能。

台积电总裁魏哲家的理由是，“挑选沿袭FinFET，是经过考虑好久，制程技能推出不是（为了）美观，是要有用，要帮忙客户让产品继续推进。”

当然这是略显唐塞的官方辞令，真实的原因恐怕是即使三星首先量产3nm，但由于在5nm节点能耗翻车，导致没几家客户敢吃3nm的螃蟹，只要用量相对较小的矿机芯片买家。

三星最近几年的晶圆制作处于追逐阶段，需要在3nm年代寻觅技能架构差异化，拉近与台积电芯片代工方面的技能距离，用更急进的战略来获取客户。

这就给了台积电以静制动的时刻差。

台积电被广泛以为是一个保存但安稳的制程技能开发者，他们倾向于确保新技能的老练和可靠性，然后再进行布置，而不是急于将新技能推向商场。这种办法能够下降技能失利的危险，前进其芯片的产值和质量，然后确保客户的满意度。

例如，三星在2018年开端在其7nm工艺中运用EUV，但是台积电挑选等候。直到EUV东西的安稳性和老练性得到承认，以及相关问题得到解决或至少得到确认，才在2019年的N7 工艺中开端运用EUV。

这种慎重的办法有助于台积电确保其制程技能的安稳性和可猜测性，然后供给高质量的芯片给其客户。

不过从时刻节点上看，3nm还未能给台积电带来纸面上的收益。在最新财报里，台积电来自先进制程的收入奉献算计达53%，其间5nm的收入占比为30%，7nm为23%。

而来自券商的音讯是，台积电3nm已取得全球*客户A的订单，从2023年下半年奉献收益。明眼人一看就知道客户A是苹果，本年6月就有音讯传出台积电2023年近90%的3nm产能被苹果占有。

但坏音讯是，传言苹果要求台积电承当未合格芯片本钱。这种状况在半导体职业十分稀有，台积电3nm初期良率大约在70%左右，苹果假如和台积电达到这样的协议，能够节约数十亿美元，但也意味着台积电的本钱压力骤增。

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下降制作本钱

尽管大客户没有尝鲜三星的3nm，但也没用台积电。中心问题就在于，3nm的性价比真实没到必定水准。

商场研讨机构International Business Strategies（IBS）发表过一组数据，3nm芯片的规划费用约达5-15亿美元，兴修一条3nm产线的本钱约为150-200亿美元。

这笔费用传导到代工的报价上便是：3nm工艺12英寸晶圆的报价高达3万美元，几乎是5nm工艺的一倍，7nm的三倍多。

为完结高功用核算，调整每个矢量变得越来越困难，芯片规划愈加杂乱，先进制程的出资额大幅前进，由此带来出产本钱的抬升，以及因大尺度芯片带来的良率问题。

在各个方面归纳起来发现经济性远不如前，所以台积电、英特尔、三星等就从其他技能线路打破功用瓶颈，由此chiplet、3D先进封装等新式方向正遭到越来越高的注重。

由于单颗芯片面积越大，良率越低，相应本钱越高。Chiplet也称“小芯片”或“芯粒”，它是一种功用电路块，包含可重复运用的IP块（芯片中具有独立功用的电路模块的老练规划，也能够理解为芯片规划的中心构件）。

该技能是将一个功用丰厚且面积较大的芯片裸片（die）拆分红多个芯粒（chiplet），这些预先出产好的、能完结特定功用的芯粒组合在一起，经过先进封装的方式（比方3D封装）被集成封装在一起即可组成一个体系芯片。

模块化规划思路能够前进芯片研制速度，下降研制本钱。经过把大芯片分割成芯粒，可有用改进出产的良率，下降制作本钱。

The Linley Group在《Chiplets Gain Rapid Adoption: Why Big Chips Are Getting Small》中提出，Chiplet技能能够将大型7nm规划的本钱下降高达25%；在5nm及以下的状况下，节约的本钱更大。

而上文说到的3D封装，则是代工厂们探求节约制作本钱的另一种表现。

2020年，台积电将2.5D和3D封装产品整合并入一个全面的品牌3DFabric，由SoIC(体系整合芯片)、InFO(整合型扇出封装技能)、CoWoS(基板上芯片封装)所组成。

其间，InFO技能的典型产品便是iPhone 7搭载的A10芯片，而CoWoS技能则是苹果上一年发布的M1 Ultra和本年发布的M2 Ultra。

具体来说，在封装这一环节，台积电将三种技能分红前、后两个阶段：

前端封装(Front-end 3D)：SoIC技能是在晶圆上，将同质或异构小晶片都整合到一个类似SoC的晶片中，该晶片有更小的面积和更薄的外形。在外观上，新晶片就像一般的SoC相同，但嵌入了所需的异质整合功用。这种前端封装技能，是在规划阶段就要考量并协同规划。

由于实质便是在做一颗SoC晶片，因而只要晶圆厂能够做，且有必要调配后端封测技能不行独自存在。

后端封装(Back-end 3D)：前端封装完结的SoIC晶片，有必要调配原有的立体封装技能，比方台积电的CoWoS和InFO。

而相关后端封装技能也是其他封测厂商活跃跨入的范畴，未必是晶圆厂*生意。

英特尔的路数也大致类似，其先进封装技能IDM 2.0连续推出2.5D封装的嵌入式多芯片互连桥接（Embedded Multi-die Interconnect Bridge, EMIB）技能、3D堆叠的Foveros技能，以及整合2.5D与3D封装的共嵌入式多芯片互连桥接Co-EMIB技能。

其间，Foveros封装技能使用3D堆叠整合不同的逻辑芯片，为IC规划公司供给了很大的灵活性，答应其将不同技能的IP区块与各种记忆体和I/O元件混合和调配。

英特尔以为3D封装能连续摩尔定律，给予规划人员横跨散热、功耗、高速信号传递和互连密度的选项，*化和*化产品效能。

也因而诞生了英特尔和台积电关于先进封装的出资大战：

英特尔在2.5D/3D封装范畴的本钱开销近两头别离达35亿/47亿美元，首要投入Foveros及EMIB等先进封装技能研制及产能扩建；

台积电在2.5D/3D封装方面已推出CoWoS及InFO等技能并进入量产，近两年本钱开销达30亿/40亿美元，位居全球第二，将扩展体系整合芯片（SoIC）中多种3D Fabric渠道先进封装技能推进及产能建置。

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结尾

2017之前的十年，智能手机要求功用更高、面积更小、功耗更低的芯片。2017年今后HPC占比显着前进，云核算特别是AI技能开展驱动服务器等高功用核算需求，由此诞生的一个前史转机便是：终端商场需求从智能手机转向人工智能。

但转机还未显着，表现在财报里便是台积电来自AI芯片的提振并没有多少。不过至少从现在看，台积电现已取得了先发优势，英伟达、AMD等厂商现已*台积电协作。

乃至AMD CEO苏姿丰在媒体采访时，被问及是否将在3nm选用三星代工的产品时，直接来了一波反诘：“你信任韩国媒体吗?”

最终，落到咱们本身层面，由于众所周知的原因，咱们只能在老练制程商场寻求跳板。无论是3/2nm下的晶体管技能，仍是先进封装，咱们都短少一个推进国产代替前进的车轮，理论上海思能够扮演这一人物，但眼下或许要多等些时刻了。

参考材料

[1] 先进封装，台积电的另一把尖刀，远川研讨所

[2] 台积电：寒气现已传递给我了，远川研讨所

[3] 台积电Q2启示：AI增加无法弥补传统需求阑珊，华泰证券

[4] 半导体职业专题研讨：台积电，晶圆代工霸主从攻擂到守擂，弘则研讨

[5] 3nm良率提至60%以上 三星芯片事务迎“逆风翻盘”？经济观察报

[6] 集成电路职业专题：先进制程靠近极限，Chiplet迎来黄金开展期，未来智库

[7] 台积电试产SoIC，3D封装走向量产？贤集网

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