12月24日，台积电发布通知：29日在台南科学园区的芯片工厂，举行3nm量产典礼。台积电赶在2023年前量产3nm芯片。

这是继三星电子后，又一家量产3nm芯片的公司。但实际上，台积电的3nm更靠谱。

那么问题来了，台积电3nm芯片究竟多厉害？内地芯片制造企业中芯国际，多久才能追上台积电？

台积电3nm芯片

芯片领域，制程之争是非常激烈的，拿到了先进的制程，就好比拿下了关键赛点。为此花费的成本也是巨大的。

芯片厂建设初期，80%的成本来自设备，一台EUV光刻机就高达1.5亿美元。加上材料、化学品、工具维护、能源投入，总成本高的吓人。

台积电在亚利桑那州建造的芯片厂初始预算为120亿美元，现在追加到了400亿美元，当然产能也提升至每月 50,000 片晶圆。

总的来说，芯片制程越小，成本就越高。台积电3nm工艺要比5nm工艺成本高38%到 55%。定价方面，3nm也比5nm 高约40%。

台积电3nm工艺分为多个技术节点，N3、N3E、N3P和N3X。

其中，N3为标准版，就像iPhone的标准版一样。性能升级并不明显。

台积电最初表示，N3在同等功率下性能提升约12%，同等性能下功耗降低27%。静态存储芯片密度提升20%，处理器密度提升10%。

但实际上并非如此，存储芯片密度提升只有5%。苹果也是考虑到这个因素，再加上成本因素，苹果果断拒绝了台积电的N3工艺。

N3E是增强版，预计量产时间为2023年底或2024年初。

N3E在N3的基础上，性能提升、功耗降低、应用范围也更大。比N5E同性能下功耗下降34%，同功耗下性能提升18%。

晶体管密度也进一步提升，模拟电路提升20%，静态存储提升30%，逻辑电路提升50%。

同时，台积电还称：N3E可以达到比N4X更高的频率。

此外， N3E最大的特色就是可以根据客户需求定制栅极和鳍片数量，制造出的芯片性能、功耗、面积也就不一样。

例如：

2个栅极1个鳍片，性能提升11％、功耗降低30％、面积缩小36％；

2个栅极2个鳍片，性能提升23％、功耗降低22％、面积缩小28％；

3个栅极2个鳍片，性能提升33％，功耗降低12％，面积缩小15％。

N3P可以参考N4P

2021 年底，台积电宣布 N4P ，这是 N4 的工艺优化。通过进一步改进 FEOL 和 MOL，台积电 的性能比 N4 又提高了 6%，功耗比 N5 降低了 22%。

N3P 将是 N3E 的后续节点。它与 N4P 非常相似，通过优化提供较小的性能和功率增益，同时保持 IP 兼容性。

性能提升方面预计和N4P接近。

N3X是3nm的最终版本

N3X 与 N4X 类似，并针对非常高的性能进行了优化。到目前为止，功率、性能目标和时间表尚未公布。

可以确定的是，N3X是超高性能版 ， 甚至在一定程度上不在乎功耗和成本。

总之，台积电作为先进工艺的代表，在3nm工艺上投入了巨大的人力、物力、财力，足见对3nm工艺的重视。

竞争对手三星的3nm技术如何呢？又会与台积电展开什么样的竞争呢？

台积电与三星的3nm之争

台积电是全球领先的芯片制造商，也是全球首家专业代工芯片的企业，它开创了芯片领域的全新模式。

根据相关数据，台积电掌握了全球53.6的芯片制造份额，位居全球第一，三星电子以16.3%位居第二。

为了追赶、超越台积电，三星电子定下了宏伟的目标：在2030年的时候，赶超台积电。

为此，三星电子强行上3nm工艺，并在今年6月宣布量产3nm芯片，成为全球首家量产3nm芯片的半导体晶圆代工厂。

三星电子3nm工艺采用了GAA（全环绕栅极）制程工艺，芯片性能比5nm提升23%，功耗下降45%，面积减少16%。第二代3nm性能提升30%，功耗降低50%，面积减少35%。

但实际上，直到现在三星的3nm工艺也没有客户，大客户高通更是将8 Gen 2的产能转移到台积电旗下了。

而台积电依然选择了Fin－FET架构（鳍式场效电晶体）制造工艺。

台积电表示：第一代3nm工艺较5nm性能提升15-20%，功耗降低30-35%，晶体管密度提高1.3倍。同时做了技术创新，使功耗和速度更加平衡。

同时表示：三星的3nm比台积电的4nm还有些差距。

其实，三星和台积电的选择都没有错。

三星是千年老二，要想逆袭台积电，自然不能走寻常路。而GAA就是它逆袭的法宝。

GAA中文全称为全环栅晶体管，是能够延续摩尔定律的新兴技术路线，可进一步增强栅极控制能力，克服当前技术的物理缩放比例和性能限制。

GAA晶体管静电特性更优秀，可满足更多栅极宽度的需求。在同等尺寸下，GAA沟道控制能力增强，在尺寸上可以做的更窄。

传统FinFET的沟道仅三面被栅极包围，而GAA纳米线采用沟道设计，可以被栅极完全包裹，意味着栅极对沟道的控制性能更好。

总的来说：GAA比FinFET的栅极控制能力更好，具有更高的有效沟道宽度，能够提供更高的性能，也能降低15%到20%的功耗。

台积电选择FinFET晶体管，主要是基于两点考虑：一是、成本更具优势；二是、风险更小。

成本是不得不提的话题，无论是多么强大的技术，最终都要转化为成果，也就是要大范围普遍性的使用，芯片技术更是如此。

新工艺就意味着要从设计、工具、验证、测试等多个环节进行改变，所产生的时间和经济成本是巨大的，这些成本最终会传递到客户、消费者手中。

5nm的晶圆开发费用高达4.76亿美元，3nm只会更高。最终产品的价格也会更高，如果消费者不买账，就会是亏本的买卖。

新工艺意味着高性能、低功耗，但同时也要承担高风险。

如果3nm工艺翻车的话，那么台积电恐怕要被老对手三星超越了。

如今台积电掌控着53%的芯片制造市场，而三星只有16%的份额，可以说台积电处于绝对优势。

未来，只要工艺不翻车，就可以掌控局面。

因此，台积电更愿意选择经验丰富的FinFET工艺。

3nm工艺上，台积电与三星展开白热化竞争，而内地中芯国际还在14nm工艺上苦苦挣扎。

中芯国际落后3代

2000年8月，中芯国际在上海拔地而起，到了2002年，中芯国际就在日本设立了子公司。2004年，中芯国际在美国上市，2020年7月16日，中芯国际登科创板，正式宣布回归。

中芯国际的创始人名叫张汝京，是一位极具爱国之心的科技人才。

张汝京，法罗纽约州立大学工程学硕士、南方卫理公会大学电子工程博士，毕业后进入德州仪器工作。

在德州仪器他认识了杰克·基尔比，杰克·基尔比是集成电路的发明者之一，并因此获得了诺贝尔物理学奖。

因为能力、学识超强，张汝京在德州仪器获得了重用——建造芯片厂。

从美国到意大利、再到日本、新加坡、台湾，张汝京带着团队一口气建造了10座工厂，张汝京成了建厂高手，德州仪器也成了最强大的芯片公司。

有了这些经验，张汝京在台湾创建了世大半导体，最终被台积电以50亿美元收购。

张汝京辗转来到上海，创建了中芯国际，中芯国际有人才、有技术同时得到了政府的支持，发展速度惊人。

但很快与台积电发生了技术、专利方面的纠纷，台积电将中芯国际告上法庭。

最终，中芯国际赔偿台积电1.75亿美元的专利费，创始人张汝京被迫离职。

张汝京离职的原因是要把中芯国际完整的保存下来，今天我们看到的中芯国际大股东有：香港中央结算中心、大唐控股、国家集成电路基金、中国信息集团等，妥妥的中资控股。

张汝京离职后，中芯国际一度陷入了剧烈的人事变动。

长达6年的诉讼、多年的人事变动让中芯国际无瑕发展先进工艺制程，直到梁孟松的到来。

梁孟松曾经在台积电、三星的技术部门担任要职，现任中芯国际CEO。

梁孟松是电子工程学家，电机电子工程师学会院士，曾任AMD工程师、台积电资深研发长、三星电子公司研发副总经理等职务。

梁孟松是典型的技术型人才技术大咖，获得美国加州大学电机工程及计算机科学系博士学位，其导师是，举世知名的FinFET发明人胡正明。

在美国专利局的资料库里，梁孟松参与发明的半导体技术专利有181件，全部都是最先进、最专业、最重要先进制程的技术研发。

梁孟松曾助力台积电在130nm芯工艺上击败IBM，后帮助三星在14nm结点击败台积电。

梁孟松入驻中芯国际后，中芯国际先后完成28nm、14nm、12nm的量产，7nm的技术完成开发，5nm、3nm关键技术已经展开，只待EUV光刻机。

也就是说，中芯国际与台积电在工艺上相差3代，3代需要多长时间才能追平呢？

台积电是2015年量产14nm的，到量产3nm用了7年时间，中芯国际2021年量产14nm，按照时间点推算，量产3nm要到2028年。也就是落后台积电6年时间。

但实际上，7nm以下工艺需要EUV光刻机，没有光刻机就只能卡在14nm。

令人无奈的是，EUV光刻机掌握在荷兰ASML手中，仅此一家再无分店。

EUV光刻机大量的采用了欧美技术，因此ASML也要遵循漂亮国的芯片令，拒绝向中国出口EUV光刻机。

有的网友说了，我们自己攻克EUV技术不就好了，可现实是EUV光刻机被称为工业皇冠上的明珠，是全球技术的集大成者。

一个国家独立研发EUV光刻机，被称为是不可完成的任务。因此，中芯国际的工艺只能停止在14nm。落后于台积电的3代，看起来遥遥无期。

写到最后

三星、台积电先后量产3nm芯片，顶级芯片制造厂商展开激烈的竞争，而中芯国际还在14nm玩泥巴。

未来7nm、5nm、3nm产能将全部被三星、台积电瓜分殆尽，中芯国际恐怕连汤都喝不上，而华为的麒麟芯片恐怕只能在研发室中了。

未来，我们能攻克EUV技术吗？中芯国际6年后能否量产3nm吗？

我是科技铭程，欢迎共同讨论！