3nm芯片，台积电的一道小坎

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2023 年 9 月 13 日，苹果的秋季新品发布会上，与 iPhone 15 Pro 系列一同登场的，还有全球首款 3nm 芯片 A17 Pro，其依旧出自苹果的老朋友台积电之手。

在这款芯片发布前，大家都对它寄予了厚望，与 4nm 这样的小节点相比，3nm 是继 5nm 后又一次重要的工艺迭代，回顾过往历史，每次工艺的大升级，都会带来芯片性能的又一次大幅度提升，而 3nm 本该也是如此。

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但意外偏偏发生了，这颗本应强大的 A17 Pro 芯片提升幅度并没有大家想象中那么大，反而 iPhone 15 Pro 的发热问题，让苹果变成了 " 火龙果 "。

那么，发热发烫这个锅，是不是要让台积电来背呢？

神仙难救的散热

很快就有人为台积电撑腰了，天风国际分析师郭明錤今日发文，针对目前苹果 iPhone 15 Pro 手机过热问题进行了解读，并表示 " 与台积电 3nm 制程无关 "。

郭明錤称，iPhone 15 Pro 系列的过热问题，与台积电的 3nm 制程无关，主要很可能是为了让重量更轻，因此对散热系统设计作出了妥协，像是散热面积较小、采用钛合金影响散热效果等。

当然，这话说得确实挑不出毛病，根据目前的拆解来看，iPhone 15 Pro 依旧采用的双层主板，背部是 ROM 芯片，面前的是基带芯片，都是发热量较大的几颗芯片，把它们放到一起，无异于让 A17 Pro 待在篝火旁边，负载一大，火势就会变大，不仅处理器降频运行，用户也会很快就会感受到手机发热。

外加苹果在这次发布会上吹了很久的钛合金边框，实际上还变相加剧了 iPhone 散热差的毛病，钛的导热系数 λ=15.24W/（m.K），约为镍的 1/4，铁的 1/5，铝的 1/14，而各种钛合金的导热系数比纯钛的导热系数还有再下降约 50%，这也就是说 iPhone 15 Pro 虽然轻了，但是散热反而不如 iPhone 15 的铝合金边框和 iPhone 14 Pro 的不锈钢边框。

但是郭明錤这番话也并不全面，根据极客湾的测试，iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Pro Max 的续航时间相较于上一代，反而出现了倒退，下降了几十分钟左右，在电池容量微增的基础上，续航时间反而缩短，除了处理器本身性能调度原因外，问题恐怕还是出在了 A17 Pro 的本身的能效表现上了。

根据 Techinsights 的芯片拆解，与 A16 相比，A17 Pro 每颗性能核心和效率核心的面积减少了 20%，每个 GPU 核心的面积增加了 5%，整体 GPU 核心增加了 20%，且由于工艺制程的进步，A17 Pro 芯片的整体面积略有缩小，但晶体管数量来到了新高，为 190 亿，对比上代的 160 亿晶体管，增加了近 20%，能够完成如此大的升级，台积电 3nm 工艺功不可没。

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但根据苹果官方的公告，A17 Pro 的 CPU 整体性能只是比上一代提升了约 10%，提升幅度达到 20% 的 GPU 又有很大程度上是因为 5 核变 6 核，只有 NPU 提升幅度最大，算力从 17TOPS 升级到 35TOPS，不难猜测它的实际规模变大了不少，外加新的 USB 3 控制器的加入，这些就是 A17 Pro 的主要升级点了，并未完成很多人预期里的大幅度跨越。

当 A17 Pro 褪去了神话光环之际，台积电的 3nm 也备受质疑。

FinFET 气数已尽

为什么在 4nm 还顺风顺水的台积电，唯独到了 3nm 时却翻了车呢？

在 5nm 时，无论是台积电还是三星，都采用了 FinFET（鳍式场效晶体管）的技术来控制流过晶体管的电流，这种技术能从 " 三面 " 来控制电子的通过（如下图），若电子没有被好好控制而乱跑，就会造成漏电，继而使手机的温度升高。

为选择更好地控制电流，两家半导体巨头都发展出从 " 四面 " 来控制电子通过的技术，称作 GAA（Gate-All-Around），进一步防止漏电发生。但在 3nm 这一节点，台积电选择继续使用 FinFET 工艺，直到 2 纳米才转换成 GAA，三星则抢先在 3 纳米时导入 GAA，虽然目前还未大规模量产，但有望提供比 FinFET 更好的功耗与密度。

2011 年，英特尔首度在 Ivy Bridge 微架构处理器上应用 22nm FinFET 技术，2014 年，台积电和三星首度在 16/14nm 工艺里导入 FinFET 工艺，在随后的几年时间当中，FinFET 成为了众多晶圆厂热捧的技术，传统平面工艺无法满足先进制程的需求，摩尔定律再一次得到延续。

但没过几年，到了 7nm 制程以下，静态漏电的问题越来越大，原本制程演进的功耗和性能红利逐渐消失，FinFET 无法满足 3nm 及更先进制程的需求已成为了大家的共识，何时导入 GAA 就成为很多人关心的重点，英特尔和台积电选择在 3nm 上继续沿用 FinFET，而处于竞争劣势的三星下定决心，在 3nm 就引入 GAA 技术，力图争取到更多客户。

在 2020 年 8 月的台积电技术研讨会上，台积电表示，它已对其 FinFET 技术进行了重大更新，N3 即 3nm 会使用 FinFET 的扩展和改进版本，性能增益高达 50%，功耗降低高达 30%，密度增益比 N5 提高 1.7 倍，不过这里需要注意的是，这部分对比仅仅是初代 N3 与 N5 的对比，在 N5 经过多轮迭代升级到最新的 N4 之后，实际提升并没有研讨会上公布的那么美妙。

回过头再来看 GAA，台积电将其称为 nanosheet FET，Intel 称其为 RibbonFET，这些技术本质都是一样的，就是把 FinFET 的 fin 转 90°，然后把多个 fin 横向叠起来，这些 fin 都穿过 gate ——或者说被 gate 完全环抱，所以叫做 gate all around；另外每个翻转过的 fin 都像是一片薄片（sheet），它们都是 channel，因此也被称为 nanosheet FET。

从结构上来看，GAAFET 电晶体的 gate 与 channel 的接触面积变大了，且每一面均有接触，也就能够实现相比 FinFET 更好的开关控制。而且对于 FinFET 而言，fin 的宽度是个定值；但对 GAAFET 而言，sheet 本身的宽度与有效通道宽度是灵活可变的。更宽的 sheet 自然能够达成更高的驱动电流和性能，更窄的 sheet 则占用更小的面积。

台积电没在 3nm 用 GAA 的原因并不难理解，成本和技术。成本是新工厂新设施吃掉的资本投入，而技术呢，例如硅基通道中较低的空穴迁移率（hole mobility），导致 pFET 性能表现不佳。IBM 在之前的 IEDM 上表示，这一问题的解决方法在于 pFET 可应用压缩应力的锗化硅（SiGe）通道材料："pFET 锗化硅通道能够实现 40% 的迁移率提升，相较硅基通道有 10% 的性能优势，而且有更低的阈值电压（Vt），负偏压温度不稳定性（NBTI）表现也有提升。"

当然 GAA 的好处并不明显可能也是台积电的顾虑之一，三星此前谈到了 3nm GAA 制程，其比 4nm FinFET 在频率和功耗方面的优势，如下图所示，但图中并没有提供绝对值和相对值，其只是笼统地说，3nm GAA 与 4nm FinFET 电晶体相比，在相同的有效通道宽度（Weff，fin/sheet 的宽度 × fin/sheet 的个数）下，3nm GAA 能够达成更高的频率；与此同时达成更低的功耗。

种种原因让台积电打定主意，在 2nm 才会使用 GAA，3nm 成为了最后一代 FinFET，这也为 A17 Pro 的翻车埋下了伏笔。

更要命的当然还是良率问题，根据 Hi Investment & Securities 的数据，三星的 3 nm 良率估计超过 60%，相比之下，台积电的 3 nm 良率约为 55%，新技术的良率几乎与旧技术良率持平，让人不由想起了几个月前曝光的苹果与台积电之间的 " 甜心交易 "：苹果向台积电下巨额 3nm 芯片订单，但是要求不合格芯片成本均由台积电自己承担，苹果只需要为良品芯片付费，有媒体表示，这样下来，苹果每年可节省数十亿美元。

如果良率足够高，苹果也没必要专程与台积电达成这项交易了，而台积电自 2022 年量产 3nm 至今，良率仍然没有到达苹果的底线，如今在能耗表现上也不理想，接下来能否说服更多客户接受这样一个价格再次上涨的工艺，或许才是台积电在 2024 年需要解决的大问题。

3nm 谁领风骚？

目前，台积电为苹果代工的依旧是 N3B 即第一代 3nm 工艺，该工艺的好处是晶体管密度大幅增加，即 A17 Pro 实现的 190 亿晶体管，而明年登场的 N3E，在晶体管密度上表现会稍逊一筹，但功耗控制方面更加理想，包括苹果在内的多家厂商都有意采用这项工艺，如果届时台积电能大幅提升良率，相信上门的 Fabless 厂商依旧会络绎不绝。

但三星早已拿着 GAA 的 3nm 虎视眈眈，一旦台积电犯下错误，原本属于它的订单就有可能流向老对手，而这样的局面早在 16nm 和 7nm 时就上演过，如今 3nm 悬而未决，未尝没有再发生一次的可能性。

3nm，是台积电亟需跨过的一道小坎。

参考文献

1. TSMC ’ s 3-nm Process Under Scrutiny Due to iPhone 15 Pro Overheating Issues —— businesskorea

2. iPhone15 Pro 的 A17 Pro 芯片照片，与 A15/A16 配置对比—— iphone-mania

3. 跟三星不同调！台积电 3 纳米架构沿用 FinFET，首席科学家黄汉森揭背后决策—— bnext

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：邵逸琦