台積電三星激戰的3nm，會是先進位程關鍵節點嗎？

與兩年前相比，三星3nm今年的關注度明顯降低，有其自身原因，更多的可能還是技術市場的風雲變化。

最近，台積電終於公開承認了自己的3nm計劃，並表示四月份將會公布具體技術細節。

終於，半導體製造業這場決定未來製程走向的關鍵一役——3nm技術之戰還是來了。

迄今為止，在3nm製程上，業內只有兩家公司具有此競爭能力，一家是台積電，另一家是三星。

其實在台積電之前，三星早已公布了其3nm工藝細節，也一直在3nm上呈現領跑態勢。

最近它剛剛宣布自己已經成功研製出首款3nm工藝晶片的消息，採用的技術正是此前盛傳的GAAFET技術，並表示其在技術完成度上獲得了遠超預期的表現。

可以說，從公布的消息來看，相較於台積電，三星要靠譜的多。

但有些出乎意料的是，三星方面的消息傳出來後，反響平平，似乎也沒有受到太多關注。

三星3nm計劃到底存在什麼問題？

三星加碼代工，力推3nm量產

首先，我們來看它拿下3nm有多厲害？

如果三星能夠順利搶先將該工藝推向量產，延續摩爾定律不說，從現有的技術格局來看，它完全可以憑此一舉PK掉基於FinFET的3nm工藝，翻身搶斷台積電現有的尖端工藝市場份額，並有機會成長為全球第一大晶圓代工廠。

因此，對三星和台積電來說，3nm之爭更像是一場與時間的賽跑，看的是誰先量產。

而三星可以說是已經占了先機。

早在2018年，三星就公布了自己在3nm製程技術上的規劃，並表示將會搶占未來高性能計算和物聯網市場。

當時三星給出了清晰的技術規劃，並且三星晶圓代工業務市場副總Ryan Sanghyun Lee也公開表示，三星從2002年以來一直在開發GAA技術。

後來在去年年中舉辦的「2019三星代工論壇」上，三星電子更是直接將3nm工程設計套件發送給了現場的半導體設計企業。

可以說，正是因為對3nm保持著長期而巨大的投入，三星才能將成果推進到今天的量產前夜。

而正如當時做成存儲的決心和毅力，三星在代工業務上的堅持其實有些超乎意料。

在2015-2016年期間，三星曾一度奪走了台積電不少大客戶的訂單，實現了收入的大幅度增長。

後來儘管因為智慧型手機衰退和台積電先進位程而導致銷售額下降，跌落到了全球第四的排名。

但是三星仍然沒有絲毫放棄的勢頭，2018年初，在韓國首爾舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星方面就對外表示，目標就是先超聯電和格芯，再超台積電。

從最近2019年第四季度統計的排名我們可以看出來，三星延續了前三季度的優勢，以市占率17.8%穩穩噹噹地占據了僅次於台積電的第二位，而排在第三的格芯僅有8%。

有分析表示，這些年為了與台積電在爭奪先進位程工藝市場話語權方面，三星下足了功夫——投資、獨立代工業務、挖人等。

而取得現在的成果，三星代工技術能力和客戶認可度的提升功不可沒。

相比較來看，雖然在現有市場台積電的地位難以撼動，但是在3nm技術上，僅僅有造廠的消息傳出，官方一直沒有對外透露更多，其3nm計劃看起來更「虛無縹緲」。

3nm GAA攻堅戰

因此回到三星3nm不受關注問題上，我們很難不去重新審視一下技術。

三星採用的是3nm GAA。

此前比利時微電子研究中心曾發表研究報告公開表示，環繞式閘極（GAA）電晶體將是未來最有可能突破7 納米技術以下FinFET工藝的「候選人」。

GAA電晶體在通道的所有側面都有一個柵極，用於克服FinFET的物理縮放比例和性能限制，包括電源電壓。

與現在的FinFET Tri-Gate三柵極設計相比，GAA技術因為重新設計電晶體底層結構，克服了當前技術的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。

在該技術方向下，主要有納米線、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線和納米環技術四大主流方向，三星採用的是MBCFET（Multi-Bridge Channel FET），即板片狀結構多路橋接鰭片。

三星認為主流的納米線GAA技術溝道寬度較小，因此往往只能用於低功率設計，並且製造難度比較高，因此沒有採用這種方案。

據三星介紹，它在其PDK設計中提供了四種不同的方案，可以在一顆晶片的不同部分使用，也可以直接用於製造整顆晶片。

在性能方面，它與5納米製造工藝相比，3納米GAA技術的邏輯面積效率提高了35%以上，功耗降低了50%，性能提高了約30%，優勢明顯。

其實關於GAA技術的研究，除了三星之外，英特爾、台積電等廠商雖然沒有明確公布，但是對此也都有研究和積累。

不過從目前的消息來看，三星3nm GAA工藝公布的信息最為詳盡。

不同於現有的7nm和5nm工藝，因為3nm節點將採用全新結構的MOS管，對於半導體製程發展來說，它可以說有著里程碑式的意義，非常類似於當時Intel用來推翻IBM領導地位的22nm。

此前，Semiengineering上有文章分析就表示，以目前技術條件來看，2nm可以被看做3nm做了微縮製程（die-shrink）處理。

也就是說，3nm以下的製程之戰，3nm是關鍵節點。

因此我們也能夠理解，為什麼大家認為三星3nm GAA一旦研發出來，它的市場影響力將是空前的。

但是作為行業龍頭，台積電方面的2nm乃至1nm消息難免會給市場留下更多念想，這也在無形中削弱了3nm GAA的影響力，甚至有人認為3nm將可以繼續採用FinFET，而所謂的關鍵節點將是2nm甚至1nm。

備受爭議的三星與技術

當然不可否認，三星這項計劃自身還存有隱患。

首先，技術是好的，但是如果投入商用，成本是不得不考慮的。

嚴格來說，如果成本過高，技術胎死腹中也不是不可能。

根據IBS統計的數據，3nm 器件的研發費用大約需要5億~15億美元；製程的研發費用需要40~50億美元；一個FAB的建設運轉需要150億~200億美元，上不封頂。

從研發到商用的費用，包括後期要收回成本的考慮，這對頭部代工廠來說，都是一個「無底洞」，風險極大。

其次，技術市場的動盪之外，三星晶圓代工廠最近在市場中的受認可度方面還是頗有爭議的。

自從三星拆分開晶圓代工部門後，因計算方式的改變，三星自家的Exynos手機晶片生產也算在晶圓代工營收當中，因此三星代工廠的市占率從個位數大幅增長到十位數。

而正是因數據維度有所改變，這讓業內對其業績是否真的增長存疑，因此三星現在占據的第二位是否真的坐穩也成為了大家沒有辦法弄清楚的「糊塗帳」。

十一月份，三星韓國器興（Giheung）廠，因為8英寸晶圓生產線採用了受到污染的設備，導致產品有缺陷。

三星的一名高層後來承認，稱損失估計達數十億韓元。

12月31日，韓國華城園區又傳出來停電時間，三星電子部分DRAM和NAND晶片生產線被迫中止，稱要兩三天左右才能完全恢復，損失也是慘重。

...

接二連三，三星代工廠屢屢出事，這更是讓其在業內的信譽受到損傷。

同時，目前來說，GAA還不是唯一的技術方向，台積電提出的先進封裝是推動製程發展的保守做法，而探索矽之外的新材料更是被業內認為是從根本上改變現有製程工藝限制的方向，這其中包括採用InGaAs、鍺納米線等新材料的GAA電晶體。

而台積電在5nm之後直接透露2nm工藝，更是有可能撼動市場現有普遍認為的3nm關鍵節點的地位。

無疑，這些都讓三星在突破台積電壟斷之路受阻。

加持新材料，3nm工藝還存在更多想像空間

據市場研究公司IC insights報導，從2017年至今，三星在半導體領域的資本支出估計為658億美元，比英特爾高了約53％，比中國所有半導體公司資本支出總和高出一倍以上。

而在晶圓代工方面，三星最近也宣布，今年第四季度的大部分投資將用於存儲領域的基礎設施中，EUV 7nm產量將繼續增加，加強自身晶圓代工的競爭力。

10月中旬的時候，還傳出了三星的一份意向書，表示要向ASML訂購15台EUV設備，總價值180億元。

三星的決心由此可見。

但是隨著技術的變化和市場的發展，市場中未來製程工藝的變數也越來越大，因此三星3nm GAA也越來越難收到預想的克敵效果。

台積電就曾對外表示，在材料方面，III-V族材料也有可能會代替傳統的矽作為電晶體的通道材料以提升電晶體的速度。

因為有研究表明，銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）與FinFET和GAAFET的集成在更小的節點處表現出優異的性能；而鐵電等介電材料的引入可能會實現超陡的亞閾值坡度以降低電晶體的能耗；鈷也有可能會替代鎢和銅作互聯導線以增強穩定性和減緩信號延遲。

目前，「新材料+新製程工藝」兩條腿走路有望打破現有的技術瓶頸成為了主流的論調。

從公布出來的信息來看，三星3nm GAA僅有製程上的進步，與台積電現在的布局相比，它缺失了材料方面的積累與探索。

因此越遲發布，其先發的優勢效應也有可能越小。

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