芯片(3nm芯片之争)

admin 497 2022-11-30 22:17:20

过去两年,国产手机厂商都在发力高端手机市场,在发布会和宣传上自然绕不开「最强性能」的BOB手机客户端芯片,但高通骁龙 888 和骁龙 8 Gen 1 连续两代的功耗、发热翻车,也连带 Android 旗舰和高通都被消费者不待见。

最终,这场持续两代的「发烧」以高通转投台积电代工骁龙 8+ Gen 1 收尾。背后是 5nm(含 4nm)先进工艺芯片战争基本结束了,台积电在过去两年以无可争议的技术和客户优势再次将三星打落马下。

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图/高通

但 3nm 节点的战争也开始了。

高通、英伟达「回归」三星

据韩国经济新闻本月报道,三星电子代工事业部副社长沈相弼在近期的事业说明会上表示,该公司在 3nm 工艺的客户关系上不比台积电落后,多家来自中国和美国的企业都在和三星合作开发 3nm 工艺半导体,其中包括高通(手机 SoC)、英伟达(GPU)、百度(AI 芯片)、IBM(服务器 CPU)等。

如无意外,我们将在 2014-2015 年陆续看到采用三星 3nm 制程的产品上市,包括高通的骁龙 8 Gen 3。这可能不是手机消费者,尤其是手游玩家希望看到,但这些厂商的决策自然有其原因。

据称,这些公司之所以选择三星 3nm 进行芯片代工,是基于 3nm 的技术能力、过去的战略合作关系、确保多个供应链的必要性等多个因素。

事实上,在英特尔 3nm 还遥遥无期的背景下,全球科技公司在 3nm 先进工艺上的选择有且仅有台积电和三星。从多元化的代工战略角度,芯片设计厂商为了考虑风险分散,在部分产品上采用多家代工厂并不少见。

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图/英伟达

但英伟达和高通的选择显然不只是考虑到风险。除了在 7nm 节点选择过三星进行代工,长期以来英伟达的 GPU 都是由台积电进行代工生产,两家的合作非常稳定。

然而高涨的成本已经足以改变很多事情。英伟达创始人黄仁勋在 RTX 4090 发布后回答媒体关于涨价的疑问时表示,摩尔定律已死,12 英寸硅圆晶的价格比过去贵得太多,先进工艺的成本也高很多,公司不得不涨价。

根据 DigiTimes 报道,台积电 3nm FinFET 工艺圆晶目前的每片报价已经突破了 2 万美元,相比 7nm 工艺的价格翻倍,相比 5nm 工艺的涨幅也有 25%,并可能在 2023 年进一步上涨。

尽管三星 3nm GAA 工艺的价格也迎来了上涨,但在价格上还是继续延续了之前的优势,7nm 阶段三星就曾靠「大大低于」台积电的报价争取到英伟达。

高通的情况则不太相同,长期以来主要是与三星在芯片代工上进行合作,然而在经历骁龙 888 和骁龙 8 Gen 1 连续两代产品的失败之后,不得不转向工艺更成熟的台积电,以代工骁龙 8+ Gen 1 和刚发布不久的骁龙 8 Gen 2。

除了更高的报价,高通过往更多考虑三星而非台积电,主要是台积电更优先满足苹果的订单需求,其次还有与三星旗舰机上采用骁龙芯片的秘密合同,这些可能都是促使高通再次「回归」三星代工的原因。

争夺客户和技术

价格的上涨也实非台积电所愿。先进制程正在逼近硅材料的物理极限,兴建一条 3nm 产线的成本已经大幅上涨到了 150-200 亿美元,加之订单需求上更大的压力,都是促使台积电提出更高报价的原因。台积电总裁魏哲家就表示,「即使经济下滑台积电也不会下调价格。」

相对应,高涨的报价意味着初期只有科技巨头们才有财力选择台积电 3nm,供应链的消息就指出明年年台积电 3nm 的客户只有苹果和英特尔,其他有意愿的客户都尚未给出时间表。8 月,英特尔传出因产品设计和工艺验证问题先是推迟明年上半年,后又推到了年底,导致苹果几乎包下了台积电 3nm 明年的订单需求。

这不意味着三星就在客户关系上胜过台积电。

两家代工厂都预计在 2023 年开始投产,经过初期的产量和良率爬升,到 2024 年开始大规模量产。台积电 3nm 工艺明年将率先应用于苹果 A17,三星 3nm 首发客户的主要是国内的矿机芯片厂商 PanSemi,向英伟达、高通等客户提供的产能预计最早也要等到 2024 年。

当然,3nm 客户的争夺最终都要先回归到技术,尤其在芯片代工的领域,最核心的依然是技术实力。今年 6 月,三星宣布全球率先量产 3nm。台积电 3nm 的量产时间则从原定的 9 月底先是推迟到了今年第四季度晚些时候,最新消息指又要推迟到明年年初。

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图/三星

但关键还是良率。三星看似在 3nm 节点上已经抢占先机,但实际生产良率一言难尽,据称实际 3nm 良率仅为 20%,其中主要原因被认为是 GAA 工艺。

三星在 3nm 节点上率先采用了 GAA 工艺,理论上可以实现更小的尺寸和更低的功耗,被三星誉为「游戏规则的改变者」,台积电也预计在 2nm 上引入该工艺。但有分析指该技术尚不成熟,近期就有媒体指出三星正在和美国 Silicon Frontline Technology 公司合作,共同提高 3nm GAA 工艺的良率。

台积电在 3nm 节点则继续沿用更为成熟的 FinFET 工艺,第一代 3nm 较 5nm 圆晶密度高出 1.3 倍,功耗降低 30-35%,性能提升 15-20%,魏哲家在 2022 年台积电技术论坛上还暗示,「对手的 3nm 比台积电的 4nm 还有些差距。」

至少目前来看,三星 3nm 的问题主要还是集中在良率上,如此低的良率完全不足以支撑大规模量产,所谓官宣的量产更像是一次试运营,可能这也是高通和英伟达的订单要排到 2024 年的原因。

涨价势在必行了

3nm 的争夺战,最早影响的会是手机市场。

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图/苹果

iPhone 15 Pro 版本不出意外将是首批采用 3nm 的产品,按照苹果最近两代在 Pro版和标准版芯片性能上的差异化策略,iPhone 15 可能将采用 4nm 的 A16 芯片。

而在联发科尚未明确的情况下,由于高通的 3nm 产能需要等到 2014 年,加之高通旗舰级芯片通常在第四季度发布,实际产品上市要到次年年初,Android 厂商也许要等到 2025 年年初才能推出采用 3nm 工艺芯片的旗舰机产品。

除此之外,台积电在 3nm 节点还规划了至少 4 个加强版,包括 N3S(密度增强)、N3X(超高性能)、N3E(增强)、N3P(性能增强)等,试图满足不同行业客户的需求,特别是高性能计算客户。

事实上,未来两年我们在 PC 市场也会看到厂商在 3nm 上的争夺。预计基于 3nm 工艺的苹果 M2 Pro 芯片将搭载在 MacBook Air 和 MacBook Pro 上,将于明年发布;英特尔也将 Meteor Lake 的 GPU 芯片交由台积电 3nm 代工,原计划今年第二季度流片,2023 年发货,但由于前文提到的产品设计和工艺验证问题,不知道又要跳票到何时。

但在先进工艺芯片不断推进的另一面,我们可能不得不在旗舰级产品上面对即将到来涨价潮。据估算苹果 A16 的制造成本约为 110 美元,占 iPhone 14 Pro 美版售价的 10% 以上,而 A17 的成本预计将上涨至 150 美元,按照苹果的习惯不太可能独自吞下这部分上涨成本,也意味着至少 Pro 机型的涨价几乎是势在必行。

Android 旗舰终究也要面对同样的问题。实际上在过去两年,先进工艺芯片的成本上涨一部分也传导到了 Android 旗舰上,到今年,旗舰机的售价基本都来到了 4 千元以上。据澎湃新闻消息,即将搭载台积电 4nm 芯片发布的小米 13 售价也将大幅上调 15-20%,预期售价将在 4500 元左右。

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小米 13 渲染图,图/@Onleaks

写在最后

过去十年,智能手机等消费电子产品一直是推动芯片先进工艺不断前进的重要动力。芯片代工是强者愈强、赢者通吃的游戏,台积电和三星之所以能成为绝代双骄,很大程度上也是因为背后的苹果和三星,去年苹果就贡献了台积电全年营收的 26%,在先进工艺芯片上更是贡献近一半的销售额。

而先进工艺芯片的不断前进,也是智能手机等一系列消费电子产品实现极致性能和功耗,甚至十年辉煌的重要基础。尤其在过去两三年,所有人都发现了我们的生活根本不离开芯片进步带来的改变。

不仅是个人,芯片对于整个电子行业的核心作用越发被重视,中国、美国、欧盟都在试图强化本国的芯片产业,其中先进工艺更是代表了芯片科技的最前沿,3nm之争既不是开始,也不会终点。

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