三星3納米工藝陷入困境，客戶紛紛轉投臺積電

全球大型科技公司正在積極采用 3nm 工藝作為主流芯片技術，而它們多數(shù)選擇臺積電作為其供應商，包括英偉達、AMD、英特爾、高通、聯(lián)發(fā)科、蘋果和谷歌等科技巨頭。

而這其中一些公司之前選擇的是三星電子的代工業(yè)務。

盡管三星于 2022 年 6 月成為全球首家開始使用全柵極場效應晶體管（GAAFET）工藝量產 3nm 工藝芯片的制造商，但業(yè)內人士指出，三星電子的芯片工藝在良率和能效方面落后于臺積電，使其在 3nm 競賽中處于不利地位。

據(jù)了解，與臺積電相比，三星 3nm 工藝的效率仍然低 10%-20%。由于性能和良率低于預期，三星第一代 3nm 工藝僅在加密貨幣挖礦芯片和三星內部開發(fā)的 Exynos 2500 處理器中被采用。

圖 | 臺積電 3nm 制程的主要生產基地晶圓十八廠(來源：臺積電)

由于 3nm 工藝面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，三星已經“痛失”重要客戶。谷歌前第四代 Tensor 處理器一直由三星代工，但從第五代開始將轉向臺積電 3nm 工藝。同樣，高通也決定將其驍龍 8 Gen 4 產品交與臺積電進行初始生產，而此前三星一直努力爭取這款芯片的訂單。

此外，據(jù)悉，英特爾已將剛推出的筆記本電腦處理器系列的 3nm 芯片訂單交給臺積電，并且晶圓生產已經開始。具體來說，英特爾的 Lunar Lake 處理器的兩個模塊將由臺積電代工，其中計算模塊采用臺積電 N3B 工藝，而平臺控制模塊則使用 N6 工藝。另外，Arrow Lake 處理器的圖形模塊、計算模塊也可能會使用臺積電 3nm 工藝來制造。

不過，英特爾也可能混用自家 20A 工藝和臺積電 N3 工藝，在引入 Foveros 先進封裝技術后，英特爾的消費級處理器也采用了模塊化設計，使用不同模塊的不同組合可以創(chuàng)造出更多差異化的產品。需要說明的是，英特爾在制程工藝命名上進行了改變，Intel 20A 是 Intel 3 之后的節(jié)點，將采用全新晶體管架構 RibbonFET。

谷歌、高通等公司轉投臺積電，能效是一個重要考量。隨著人工智能在服務器和移動等關鍵市場的擴展，芯片能效已成為半導體制造中最關鍵的指標之一，也是 AI 芯片時代的主要挑戰(zhàn)。

能效不僅影響著設備的電池續(xù)航時間，且直接關系到芯片的性能和穩(wěn)定性。過熱問題可能導致手機和服務器的系統(tǒng)崩潰。

因此，盡管臺積電的 3nm 工藝報價更高，與 5nm 芯片相比，價格提高了 25% 以上，客戶依舊傾向于選擇臺積電。這也證明了在競爭激烈的芯片市場中，高能效的重要性。

另外，據(jù)了解，臺積電將提高其 3nm 和 5nm 節(jié)點的價格，明年 3nm 節(jié)點價格可能上漲 5%，先進封裝價格可能上漲 10%-20%。同時，晶圓代工行業(yè)正普遍有漲價趨勢。

臺積電新董事長魏哲家也曾透露，臺積電產品擁有極高的電源效率，并且良率更佳。若以每顆芯片的成本計算，臺積電是最具成本效益的選擇。

今年下半年，消費市場將迎來眾多 AI 產品的發(fā)布，手機芯片市場中，除了高通驍龍 8 Gen 4，聯(lián)發(fā)科天璣 9400、蘋果 A18 和 M4 系列，都將采用臺積電的 N3 工藝。

臺積電或將進一步拉大與三星電子之間的市場份額差距。根據(jù)市場研究公司 TrendForce 的數(shù)據(jù)，2024 年第一季度，三星電子的晶圓代工市場份額為 11%，低于去年第四季度的 11.3%。同期臺積電的市場份額從 61.2% 上升至 61.7%。

由于 AI 熱潮爆發(fā)，大型科技公司紛紛導入 3nm 制程，臺積電 3nm 產能預計在 2026 年售罄。據(jù)業(yè)界消息，臺積電計劃兩年內通過轉換部分 5nm 設備支持 3nm，以緩解產能短缺，確保穩(wěn)定生產和供應。

除了英偉達，臺積電也是人工智能熱潮的主要受益者之一。近日，臺積電股價上漲，達到 9350 億美元，正向萬億美元里程碑邁進。上周超越伯克希爾哈撒韋，成為全球市值第八大公司。

值得一提的是，三星電子為在未來保持競爭力，決定加快 2nm 工藝（SF2）的商業(yè)化進展，從最初計劃的 2027 年之后，改為明年或 2026 年開始大規(guī)模生產。并計劃在今年下半年量產其第二代 3nm 工藝。

三星還提到其 2nm 工藝將引入背面供電（Backside Power Delivery, BSPDN）技術來大幅改善能效問題。

（來源：三星）

隨著晶體管數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的正面供電方式越來越難以滿足高性能和高能效的需求，背面供電技術被視為一種可能的解決方案，三星甚至將其稱為代工行業(yè)的“游戲規(guī)則改變者”。

據(jù)了解，背面供電技術的核心在于將供電線路分配到芯片的背面，從而減少正面線路擁擠。由于供電線路遠離了晶體管，電阻可以降低，從而減少電壓降，提高能效。背面供電也可以配合更好的散熱設計，比如通過背面的金屬層來傳導熱量，改善散熱性能。當然，該技術也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如制造工藝的復雜性增加、成本上升以及對現(xiàn)有設計流程的調整等。

而臺積電也正加快其 N2 工藝（2nm）進程，預計在 2025 年左右開始量產，將首次采用納米片（Nanosheet）晶體管技術，提供更高的性能和更低的功耗。這也代表了臺積電開始從傳統(tǒng)的 FinFET（鰭式場效應晶體管）結構向全環(huán)繞柵極（GAA,Gate-All-Around）晶體管的轉變。

總體而言，目前臺積電憑借其領先的工藝技術和穩(wěn)定的良率，在 3nm 市場競爭中占據(jù)了優(yōu)勢地位。隨著 AI 等技術的快速發(fā)展，對先進芯片的需求將持續(xù)增長，預期多數(shù)公司會優(yōu)先將訂單委托給臺積電。三星則需要克服其工藝在良率和能效方面存在的問題。

參考：

https://www.chosun.com/english/industry-en/2024/06/18/SWLS2QOL2NEH3KRHYWGPSVAPU4/

https://www.digitimes.com/news/a20240617PD217/tsmc-intel-3nm-production.html

https://semiconductor.samsung.com/us/news-events/news/samsung-showcases-ai-era-vision-and-latest-foundry-technologies-at-sff-2024/