台積電第二代3nm技術 將改變智慧型手機競爭局面?

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

台積電將製程節點從5nm推向3nm,今年下半年更預計推出升級版3nm製程的N3E。業界預期,在蘋果採用3nm製程生產其智慧型手機晶片,將刺激安卓手機跟進,改變智慧型手機的競爭局面。

宣言要在去年下半年啟動3nm節點的台積電,罕見於去年12月29日舉行台南科學園區3nm量產暨擴廠典禮。在三星基於Gate-All-Around(GAA)架構啟動3nm晶片製造的六個月後,台積電已成功運用相對成熟的FinFET電晶體架構,成功將製程節點從5nm推進到3nm。

據多間媒體報導,蘋果已經包下台積電第一代3nm N3製程的首批量產晶片。報導指出N3製程的良率預期將在2023年下半年推升到80%。屆時如超微(AMD)、英特爾(Intel)及高通等台積電其他客戶,也計畫採用其3nm製程生產晶片。

N3使用非常複雜24層、多重圖案(multi-pattern)的極紫外光(EUV)顯影工藝,密度更高而可提供更高的邏輯電路密度。另一方面,升級版的N3E則使用相對簡單、19層單一圖案(Single-pattern)的顯影工藝,更容易投入生產,成本也更低;與N3相比,其功率消耗更少,時脈也更快。

台積電總裁魏哲家預期3nm在量產的五年後,將有機會創造超過1.5兆美元的生意。不過就現在來說,相較台積電N5、也就是其5nm晶圓代工價格16,000美元,N3得付出的成本為20,000美元。這也是為何除了蘋果之外,其他晶片開發商仍在等待更具成本效益的N3E的部分原因。

相較在2020年推出的5nm節點工藝,台積電表示其N3製程的邏輯電路密度將提升60~70%,在節省30~35%功率消耗的同時還能提升15%的效能。這邊需要注意的是,台積電升級版的N5,蘋果稱之為4nm,本質上生產的仍為5nm的晶片。從增強的5nm前進到3nm,將帶來顯著的益處,包括更低的功耗極更高的電路密度,並能在相同面積下,增加60%甚至更多的晶片邏輯和快取。

3nm將躍升智慧型手機的主戰場

蘋果用於預期在今年下半年發表的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max手機的系統單晶片(SoC)A17,將使用台積電的3nm技術。蘋果前一代iPhone 14 Pro及Pro Max的A16晶片,是使用台積電的4nm製程,而這個3nm技術相較於4nm,預期帶來35%的功耗改善。

據多間媒體的報導,蘋果也預計今年上市的MacBook Air,內部使用的M3晶片也會採用台積電的3nm製程製造。同樣的,預計2024年上市的MacBook Pros內部M3 Pro及M3 Max晶片,也預計會使用台積電的3nm製程。

蘋果是台積電最大客戶,其占台積電整體營收25%,傳出有意包下台積電所有N3產能。另一方面,蘋果在先進智慧型手機晶片的主要競爭者,包括高通及聯發科技,選擇要等待台積電預計於今年下半年發表的N3E製程。值得一提的是,蘋果投入自製SoC是被整合到自己的終端產品,高通跟聯發科技則只能靠晶片獲利,這也可能是為何像這類智慧型手機處理器的供應商,會希望等待更具經濟效益的N3E推出。

圖1:台積電第一個3nm N3製程相較5nm製程,同樣的功率消耗下可提升15%的效能,相同速度下亦可提升30%的效率。 (來源:台積電)

這樣的趨勢下,無疑會將安卓(Android)手機在2024年及之後,同樣採用3nm的晶片,並更進一步擴大蘋果在智慧型手機市場的領先地位。與此趨勢不同,傳出採用三星3nm製程的三星Exynos 2300晶片,很可能尚未用於其最新上市的Galaxy S23或其他Galaxy系列的高階手機。

圖2:N3E製程節點被預期將在2023年下半年投入商用。 (來源:台積電)

在智慧型手機之外,像是AMD、NVIDIA等為電競等應用提供圖像處理器(GPU)的供應商,也在關注台積電的N3E製程。

亞利桑那廠啟動

從技術的角度,台積電在迅速發展的3nm製程工藝上進展順利,目前為止在N3製程的升級上也穩健前行。一名台積電高層稱N3將是一個非常重要的節點,魏哲家也說,3nm製程將比5nm製程帶來更高的獲利。然而,3nm的問世卻剛好同時遭遇台積電在新地區的擴產,以及其供應鏈在國際貿易限制及制裁下的困境。

台積電創辦人張忠謀宣布「全球化已死」的言論時,道盡台積電新晶圓廠訂單背後緊張的局勢。魏哲家更是對地緣政治衝突吐露不滿,據他的說法,這導致台積電無法在全球銷售晶圓。

台積電亞利桑那州新廠在2020年宣布將於2024年開始生產4nm晶片,隨後將建立第二座晶圓廠預計2026年投入3nm晶片生產。這意味著美國將緊跟台灣,在三年多後擁有3nm的製造工藝,兩年多後擁有台積電4nm製程技術。值得一提的是,台積電正在美國及其他地區擴大其製造廠區時,仍承諾將最好的晶片製造技術留在台灣。

兆元產業

台積電計畫今年投入320~360億美元的資本支出,滿足日益增長的晶圓代工需求,其中七成預算用於7nm以下的先進製程。雖然台積電的2nm技術將以GAA架構為基礎,並將在2025年左右推出,不過在可預見的未來,3nm製程看起來更像是其主要的先進製程節點。

媒體報告稱,台積電已逐步擴大3nm製程的月產能,預計今年3月將可望達45,000片。根據台積電董事長劉德音的說法,3nm製程的良率與前幾世代相同的製造週期相比,已可相提並論。由此來看,加上蘋果成為第一間採用此先進製程的晶片開發商,意味台積電3nm的製程技術正走在對的路徑上。

儘管只有蘋果作為唯一的消費者,使這間半導體巨頭來自N3節點的營收僅占整體的個位數,不過仍達數十億美元。一旦升級版的N3E於今年下半年問世,其他瞄準高效能運算(HPC)及智慧型手機應用的大型晶片開發商加入3nm競爭行列,當所有資金到位,它很可能在幾年內搖身為價值上兆美元的生意。

責編:Ryan Tsai

(參考原文:TSMC’s 3-nm progress report: Better than expected,by Majeed Ahmad)

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