台积电和三星的“3nm之争”：谁率先降低代工价格，谁就会是赢家

2022年已经接近尾声，3nm制程的竞争似乎也进入到了白热化阶段，台积电和三星谁先真正实现3nm制程的量产，一直都是产业的焦点。虽然需要用到3nm芯片的厂商少之又少，但这并不妨碍它是巨头争相追逐的对象，毕竟对于整个半导体产业来说，抢先掌握先进工艺是占领市场最关键的部分。

3nm进展如何

台积电

台积电作为全球晶圆代工的龙头企业，今年凭借着第三季度6131亿新台币的销售额，有望取代老牌巨头三星、英特尔成为全球半导体一哥。据市场调研机构Strategy Analytics最新报告，2022年第三季度台积电代工总收益超过了200亿美元，甚至超过了其他所有厂商（包括三星）的总和。

最新消息显示台积电3nm制程迈入冲刺阶段，已明确表明其3nm工艺具有高良率，并且客户的N3需求已经超过了台积电的供应能力，部分原因来自机台交付问题。此外，台积电还预计在2023年N3将达到全面利用，将占明年晶圆营收的4%-6%。

随着3nm产能在明年逐季开出，包括苹果、英特尔、高通等大客户亦会导入量产，将成为台积电2023年营收较今年成长的主要动能。据彭博报道，苹果新款的M2芯片处理器更是有可能独占台积电3nm代工的大订单。

台积电方面还透露N3E作为第二代3nm工艺制程，有着更好的效能、功耗和良率，性能相比5nm提升18％、功耗降低34％、密度增加70％。并且，N3E开发进度较计划提前，大规模量产时间预计在明年二季度到三季度，很可能2023年iPhone 15系列所搭载的A17芯片就会采用该工艺。

另外值得注意的是，台积电计划将N3技术芯片生产带到它美国亚利桑那州5nm晶圆厂的传闻，前两天台积电创始人张忠谋首次给出了肯定的答复。不过并未透露美国3nm晶圆厂建厂计划的投资规模，以及会在何时启动。

虽然美国今年通过了配套有超过520亿美元补贴的“芯片法案”，但对于台积电来说在美国制造芯片的成本仍要更高，然而这并不是从商业成本考虑的决策 —— 台积电赴美建先进制程晶圆厂，也在一定程度上顺应了美国客户的供应来源地分散化的供应链安全需求。

根据最新的预计，今年台积电主要客户的营收占比依次为苹果(25.4%)、AMD(9.2%)、联发科(8.2%)、博通(8.1%)、高通(7.6%)、英特尔(7.2%)、英伟达(5.8%)，这前七大客户中六家都是美国客户，这也正是促使台积电赴美建5nm/3nm晶圆厂的重要因素。

三星

在3nm制程量产方面，三星比台积电率先曝出消息，据报道三星6月30日率先开始采用3nm制程工艺为相关的客户代工晶圆，首批晶圆在7月25日发货。然而除了一家做矿机芯片的中国公司试水之外，大型半导体厂商中还在观望，还有没有任何一家确定要采用三星的3nm工艺。

虽然三星看似在3nm制程节点上先行一步，但实际生产上并非一帆风顺。而此前也是由于三星在4/5nm工艺上糟糕的良品率和表现，才迫使高通这样的大客户将旗舰SoC订单转投到台积电。

在未来的技术路线发展上，三星电子计划在2024年推出第二代3nm工艺技术的半导体芯片（SF3）。三星电子表示，其第二代3nm芯片的晶体管将比第一代3nm芯片小20%，这将为智能手机、个人电脑、云服务器和可穿戴设备带来更小、更节能的芯片。

此外，三星还计划积极争取美国境内晶圆代工市场。除了在德州奥斯汀的工厂，目前还计划在邻近泰勒市兴建全新工厂，为最新3nm制程技术提供代工量产资源，预计在2024年开始运作。

三星之所以不遗余力地扩大其代工产能，是因为三星电子代工事业部总裁Choi Si-young在日前活动中明确表示了三星的目标是2027年将产能提高两倍以上。为此，三星推行了“壳牌优先”战略，即先建设无尘室，然后在市场需求出现时灵活运营。据了解，三星在韩国和美国已经经营了五家工厂，并获得了建造10多个晶圆厂的场地。

3nm代工价格惊人

台积电

台积电在7nm制程节点成功地引入了EUV（极紫外光），随后5nm制程节点更是拉开了与其他代工厂之间的差距，苹果、AMD、英伟达、联发科、博通和高通等业界大型芯片设计公司纷纷下单。

更先进的工艺制程意味着更高的成本，每片晶圆的价格水涨船高。按照台积电的报价，7nm工艺的12寸晶圆大约是1万美元一片，5nm更是超过1.6万美元，预计明年还会上涨6%。有半导体从业人员表示，5nm制程节点的代工价格已非常高，3nm的报价已达到2万美元，成本的拉升相当明显。

一块12寸的晶圆，其晶圆面积约为70659平方毫米，而一块3nm的芯片，例如高通、苹果的3nm手机Soc，预计面积会是70平方毫米的样子。也就是说一块12寸的晶圆，在不浪费任何边角料、100％良率的情况下，也就是只能切割出1000颗左右的芯片。

但晶圆是圆的，芯片是方的，一定会有边角料留下来，还要考虑到良率不可能100％。所以实际上来看，如果一块12寸的晶圆用来制造3nm的芯片，在良率达到80％以及去边角料后，最终能够切割出完整可用的成品芯片也就是600-700颗左右。

如果后续加上研发、流片、封装、报损、营销等成本，一颗3nm芯片的成本至少需要1000美元以上，所以只有高端档手机Soc、电脑CPU、GPU这样的高价值产品，才有可能用得起3nm工艺。厂商也会将成本转嫁到下游客户，所以新款设备终端也会越来越贵。

三星

台积电、三星是全球唯二能生产3nm工艺芯片的公司，却走的是不同的路线。三星电子的3nm制程工艺率先采用全环绕栅极（GAA）晶体管架构，台积电则是继续采用鳍式场效应晶体管（FinFET）架构。

三星表示与原来采用FinFET的5nm工艺相比，初代3nm制程（GAE）在功耗、性能和面积（PPA）方面有不同程度的改进，其面积减少了16%、性能提高23%、功耗降低45%。到了第二代3nm制程（GAP）面积减少了35%、性能提高30%、功耗降低50%，效果更好，不过需要2024年才能量产。

这样的指标很诱人，如果三星能量产，不会没有厂商使用。但实际情况并不是这样，三星的3nm并没有公司抢着上，只能说明是有些问题的，那就是良率偏低，根本没法大规模量产。

据悉，目前台积电先进制程代工价一直上涨的原因之一就是 —— 三星电子5/4nm及3nm制程良率较低，其中三星3nm制程自量产以来，良率不超过20%，量产进度陷入瓶颈，因此与台积电合作关系的稳定性也是目前多数芯片厂商考量的关键点。

三星3nm工艺的代工价格目前不清楚是多少，但根据台积电3nm制程的生产成本，三星以20%的良率用于生产的话，就算是打折代工估计也要10万美元，芯片成本要增加数倍以上，毫无竞争力。

不过，最近三星与美国公司Silicon Frontline Technology扩大合作，将提高其半导体晶片生产良率。据称Silicon Frontline通过ESD静电及相关技术可以减少晶圆加工中的缺陷，也就是说提高芯片的良率，两家公司对彼此的技术合作很满意，但具体提升多少良率还没有相应数据公布。

至于是否有实际收益，还要留意未来几个月三星的晶圆代工情况，看看是否有客户愿意下订单采用三星的先进工艺。有消息指出，如果三星的计划取得成效，高通可能会重新选择三星，在一些SoC上采用双代工厂的做法，以便更好地控制产能和成本。

由于此前高通已经表明将持续采用台积电与三星多芯片制造供应商来源的模式，加上台积电在3nm制程上量产时间的继续延迟，高通可能考虑将下一代骁龙8 Gen 3处理器交由三星来生产。

当前台积电是高通骁龙8 Gen 2 移动处理器的独家供应商，由其4nm制程节点来生产，但是到了2023 年之际将有许多的不确定性。不过，当前谈骁龙8 Gen 3的情况似乎还太早，还有许多的不确定性，需要在接下来的时间持续关注。

值得注意的是，三星作为最大的存储芯片制造商，三季度在存储芯片方面的营收环比下滑28.1%，导致他们整体的净利润下滑，也导致将全球半导体销冠的宝座拱手让给了英特尔。英特尔三季度的营收虽同比也大幅下滑，但他们在半导体方面148.51亿美元的营收，只是略低于上一季度的148.65亿美元，高于三星电子的146亿美元。

此外，三星近期也频频警告，由于对个人电脑和智能手机的需求较预期进一步减弱，导致数据中心和消费科技客户削减订单、库存增加，三星正面临更严峻的市场形势。

潜在的竞争者英特尔

根据英特尔制程工艺路线图，英特尔Intel 7正在生产并批量出货，Intel 4将采用EUV技术，预计2022年下半年投产，其晶体管的每瓦性能将提高约20%；而Intel 3作为英特尔代工服务的重点，将提供I/O Fin和高密度单元，以及更多EUV的使用和更好的晶体管和互连，每瓦性能实现约18%的提升，预计2023年下半年投产。

就在近期，英特尔还成立了晶圆代工新联盟 USMAG（美国军事、航空航天和政府）联盟，作为对其设计生态系统加速器计划的战略性补充，初始成员包括Cadence、Synopsys、Siemens Digital Industries Software、Intrinsix和Trusted Semiconductor Solutions等芯片巨头。就在今年2月，英特尔代工服务（IFS）启动了其加速器设计生态系统计划，以帮助代工厂客户将硅产品从构思到实施。