即便沒有在2022年如期推出3nm量產(chǎn)，也是十分正常的事情。
在突破先進制程的道路上，身為芯片代工龍頭的臺積電從來不會吝惜在資金上的投入。
據(jù)臺媒報道，臺積電在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)險試產(chǎn)在即，臺積電在新一年的開支也將破新高。
但根據(jù)Digitimes的最新報道，臺積電在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光刻機等關(guān)鍵設(shè)備在物流上受到延誤，這也導(dǎo)致臺積電在設(shè)備安裝上遲遲無法按期完成，原計劃在6月份風(fēng)險試產(chǎn)的3nm FinFET工藝，延期到10月份。
相應(yīng)的，臺積電南科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。
目前尚不清楚臺積電在3nm工藝研發(fā)過程中遇到的關(guān)鍵瓶頸具體指什么，但如果想順利在2022年完成量產(chǎn)，臺積電必須在技術(shù)上有所突破。
此前，臺積電CEO魏哲家在財報分析師電話會議上曾透露，他們的3nm工藝仍將采用成熟的鰭式場效應(yīng)晶體管技術(shù)（FinFET）。而作為競爭對手的三星在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），臺積電N3的密度提高了50％，但工藝上依舊是FinFET，換句話說，這次的臺積電太過于“保守”了。
這背后，是臺積電意圖兼顧成本與效能。畢竟從三星宣布的相關(guān)信息來看，3nm GAA技術(shù)的成本可能會超過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階。
就FinFET技術(shù)本身，隨著晶體管尺度向3nm 邁進，其尺寸已經(jīng)去向縮小至極限。此時，無論是鰭片距離、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)都無法完成。
可以推測的是，臺積電已經(jīng)找到了可行的改進方案，只是目前遇上了瓶頸。
5nm工藝“翻車”？
有人說，手機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)的進步。伴隨著技術(shù)和材料上的限制，手機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。
但從各家媒體的評測來看，這幾家公司的芯片都或多或少出現(xiàn)翻車的情況，實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芯片都采用了臺積電代工的5nm制程工藝。
愛否科技的評測顯示，在3DMark壓力測試中，首發(fā)搭載驍龍888的小米11一直提醒溫度過高，導(dǎo)致測試無法進行。并且，在經(jīng)過連續(xù)幾次的測試后，機身表面溫度達到了51度，而穩(wěn)定性只有91％。這一問題在多家測評中均有出現(xiàn)。
針對小米11的翻車，有人把原因歸結(jié)于測試機相對較老的固件以及Arm和高通的設(shè)計問題，但事實上除了三星代工的驍龍888以外，由臺積電代工的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。
單從測試結(jié)果來看，今年的5nm制程工藝，不管是臺積電還是三星，實際表現(xiàn)都沒能達到官方所宣傳的效果。
仔細來看，臺積電每隔兩年就將密度提升1．8倍的速度相當(dāng)激進，遠高于業(yè)界水平，而三星同樣在追趕臺積電的道路上加快了腳步。
所以目前的臺積電在3nm上依然十分激進，并且沒有前人的經(jīng)驗，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，臺積電最大的隱患
在解決完工藝上的問題后，“缺電”就成了臺積電3nm道路上的最大威脅。
作為用電大戶，臺積電前幾年的用電量就占據(jù)了全臺灣用電量的5％以上。
根據(jù)臺積電企業(yè)社會責(zé)任報告書，2016年臺積電用電量就已高達88．53億度，較2015年增加了11％。當(dāng)時臺積電僅在竹科的Fab耗電功率已經(jīng)超過72萬千瓦。到了2019年，臺積電的耗電量猛增到143．3億度。
在過去五年臺灣增長的用電量中，有三分之一都被臺積電占用，而這只是臺灣地區(qū)龐大半導(dǎo)體企業(yè)中的一員。
按照原計劃的3nm量產(chǎn)時間，2022年到2023年應(yīng)備總供電容量增加近100萬千瓦，2024年到2025年進一步大增257．6萬千瓦，而這恰好與臺積電3nm以及2nm量產(chǎn)時間相符合。
按照臺積電的估算，臺灣地區(qū)的備用電量遠遠無法滿足臺積電的需求。
臺積電造的每一顆芯片需要經(jīng)過近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，用的電就越多。
由于7nm以下的先進工藝制程必須要使用EUV光刻機，而一臺EUV光刻機，一天耗電3萬度。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。”極紫外光本身的損耗過大，這也是造成轉(zhuǎn)換率低的一大原因。
數(shù)據(jù)顯示，EUV機臺用電量占臺積電公司能源使用50％以上，如果EUV機臺數(shù)量逐年增加，那么臺積電對于電能的消耗也將進一步快速增長。
早在2015年的時候，張忠謀就指出，困擾臺積電發(fā)展的唯一要素就是缺電、停電，這一影響對于現(xiàn)階段的臺積電已經(jīng)是不可估量的。如果后期的3nm、2nm工廠也出現(xiàn)停電情況，損失方面將會是5nm生產(chǎn)線的幾倍。
結(jié)語
在目前的情況之下，無論是GAA還是FinFET，都存在技術(shù)上的瓶頸。除了臺積電的3nm受限以外，無獨有偶，三星的3nm似乎也不順利，其晶圓工廠已經(jīng)將進度調(diào)后。
圖 ｜ 三星公布的5nm成本
不過，業(yè)內(nèi)人士對于“臺積電2022年開始量產(chǎn)3nm工藝”還是充滿信心。而要實現(xiàn)這一目標(biāo)，除了解決技術(shù)上的難題以外，臺積電還要從節(jié)省能源上下足功夫。