首发推迟？台积电2nm真的用不起

苹果原本计划在今年推出的iPhone 17 Pro和iPhone 17 Pro Max两款机型上搭载台积电2nm处理器芯片，现如今可能会将时间推迟12个月至2026年。因此，将于今年下半年发布的iPhone 17系列中或将采用3nm的台积电N3P工艺，而非2nm制程。

用不起的台积电2nm工艺

目前，台积电已在新竹宝山工厂开始了2nm工艺的试产工作（每月5000片晶圆的小规模生产），初期良率是60%，这意味着有将近40%的晶圆无法使用，每片晶圆的代工报价可能高达3万美元。

第一座工厂计划位于新竹县宝山附近，毗邻其专门为开发N2技术及其后续技术而建的R1研发中心，预计将于2025年下半年开始大批量生产（HVM）2nm芯片；第二座能够生产N2芯片的制造厂将位于高雄科学园区，该园区是高雄附近南台湾科学园区的一部分，HVM启动时间预计稍晚一些，可能在2026年左右。此外，台积电正在努力获得批准，在台中科学园区建造另一座具有N2能力的工厂。

2016年，制程技术演进至10nm后，报价增幅显著，达到6000美元；进入7nm、5nm制程世代后，报价破万；相比于2nm，目前3nm晶圆的价格大约在1.85-2万美元/片之间。

以iPhone 18 Pro系列首发搭载的A20 Pro处理器为例，这颗首个利用台积电2nm工艺制程的芯片，价格将由目前的50美元上涨至85美元，涨幅高达70%。由于先进制程报价居高不下，芯片厂商成本高企，势必将成本压力转嫁给下游客户或终端消费者。

2024年，高端智能手机集体用上了基于3nm工艺的旗舰芯片：骁龙8至尊版、天玑9400、A18系列都采用了台积电3nm工艺。相比4nm工艺，3nm工艺的代工费贵了不少，加上内存储存等核心元器件的涨价，让骁龙8至尊版/天玑9400旗舰机的价格普遍上涨。以小米为例，小米15的起售价，比上代就上涨了500元。

而2nm将如期在2025年进入量产，其量产曲线预计与3nm相似。台积电正全力提升产能，通过设施投资，预计到2026年台积电2nm制程产能将扩大至8万片晶圆。据报道，台积电已调整了对客户的2025年代工报价，以缓解海外设施高昂运营成本和2nm部署成本造成的毛利率损失的影响。

不可否认的是，高工艺的芯片确实带来了更高的性能和更低的功耗，但随之而来的高昂价格也让许多客户望而却步。而台积电之所以这么报价，当然是因为：没有对手。

台积电2nm工艺性能优秀

晶体管的密度越大，就必然需要沟道长度越来越小，而随着沟道长度的缩短，沟道管中的源极和漏极的距离也会越来越短。因此栅极很难再保证对沟道的控制能力，也意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而出现严重的电流泄露。

为了解决这个问题，华人科学家胡正明在1999年提出了「鳍式场效应晶体管（FinFET）架构」。在这个结构中，栅门被设计成了类似鱼鳍状的3D结构，能够让晶体管沟道长度减少的同时，大幅减少电流泄露的问题。

FinFET架构的出现，让摩尔定律被续命将近20年，但自芯片代工行业进入先进制程后，该架构也开始逐渐失效，2nm的节点就被普遍认为是“决战节点” —— 全环绕栅极（GAA）纳米片晶体管被提出。与FinFET相比，GAA架构相当于将栅极的鳍片旋转90°，然后再在垂直方向上分成了多条鳍片，来增加其与沟道的接触面积。

这条技术路线得到了业内的广泛认可，但却让代工难度呈指数级上升。实际上，GAA技术在三星的3nm制程中就被抢先采用，但由于开发难度过大且时间紧迫，其3nm试生产的良率不足20%，根本无法满足量产需求，甚至无法自给自足。苹果、高通、联发科、英伟达等科技巨头都将3nm芯片的订单交给了台积电，台积电几乎包揽了全球的3nm芯片产能。

相比于三星的“一步到位”，台积电则选择在2nm工艺中首次引入GAA架构。此前在IEDM 2024大会上，台积电披露了N2工艺的关键技术细节和性能指标：对比3nm，晶体管密度增加15％，同等功耗下性能提升15％，同等性能下功耗降低24-35％。这一提升得益于GAA技术更低的阈值电压，从而降低了漏电功耗。

对比传统的FinFET晶体管：台积电N2工艺可以在0.5-0.6V的低电压下，获得显著的能效提升，可以将频率提升大约20％，待机功耗降低大约75％；还应用了全新的MOL中段工艺、BEOL后段工艺，电阻降低20％，能效更高；针对高性能计算应用，台积电2nm还引入了超高性能的SHP-MiM电容，容量大约每平方毫米200fF，可以获得更高的运行频率。

按照台积电的说法，28nm工艺以来，历经六代工艺改进，N2工艺单位面积的能效比已经提升了超过140倍。

同时，台积电还在研发N2P（N2增强版本），计划2025年完成资格认证阶段，2026年下半年量产。与原始N2相比，N2P功耗降低5%-10%（在相同频率和晶体管数量下）或性能提高5%-10%（在相同功率和晶体管数量下），并完全兼容N2。在欧洲开放创新平台论坛上台积电宣布，Cadence和Synopsys的所有主要工具以及西门子EDA和Ansys的仿真和电迁移工具，都已为台积电的N2P制造工艺做好准备。

整个N2系列将增加台积电的全新NanoFlex功能，该功能允许芯片设计人员混合和匹配来自不同库的单元，可以优化沟道宽度以提高性能和功率，然后构建短单元（以提高面积和功率效率）或高单元（以提高15%的性能）。

另外，还预计台积电将在2026年下半年开始量产A16制程（即1.6nm），A16工艺将结合台积电的超级电轨架构，即背部供电技术。与N2P工艺相比，A16在相同工作电压下速度快了8%-10%，或在相同速度下功耗降低15%-20%，同时密度提高至原来的1.1倍。

值得注意的是，因为台积电2nm的报价太高，高通已经在考虑使用三星2nm的工艺。相关报道称，高通在测试三星的2nm工艺，不过尚未敲定高通是否会将订单交给三星。毕竟在骁龙8+Gen1表现不俗之后，高通的骁龙8Gen2、骁龙8Gen3、骁龙8至尊版等旗舰芯片，都是由台积电代工。而且在骁龙8至尊版转向自研CPU架构后，CPU超大核主频达到了惊人的4.32GHz，功耗要求极高，现在确实是只有台积电才能做到。

AI应用的爆发式增长，让各大芯片厂商纷纷争抢台积电3nm的产能，台积电用十个月完成了2023年全年业绩。而且不难推测，所有3nm的客户都会在后续采用2nm制程。在这样的背景下，台积电董事长兼首席执行官魏哲家曾自信地表示，2nm工艺的需求空前高涨，目前2nm的规划产能已经超过3nm。

台积电N2还有对手吗？

2nm芯片的价格如此高昂，一方面是因为各个环节的成本都在上升，另一方面也是因为台积电在芯片代工行业中，已经形成了事实上的垄断。仅在今年，台积电便两次提高其代工费用，不仅是对3nm工艺制程，甚至5nm工艺制程的价格亦被提高4%-10%。

由于半导体设计企业在3nm以下的先进工艺中对台积电的依赖程度不断加深，而台积电产能不足、价格上涨，半导体设计企业对代工厂商多元化的意愿也在不断增强。那么在进入2nm工艺时代后，行业内还有能掣肘台积电的力量吗？

台积电的竞争对手三星正在全力提升2nm制程良率，并推动现有客户日本PFN等公司进行测试，以争夺2nm制程市场。三星在3nm工艺制程上跌了个大跟头后，立志要在2nm工艺制程上完成追赶。

此前业内就有传闻称，三星已经有暂停3nm工艺开发，全力“All in”2nm工艺的打算。业内人士透露，三星在其平泽P2和P3生产基地的4nm、5nm和7nm制程中，已有超过30%的代工生产线停产，并计划在年底前将停产比例扩大至约50%。而3nm的情况更不乐观，报道指出三星目前第一代的3nm制程工艺目前良率只有60%。

考虑到其位于华城的S3产线，在还未正式量产3nm晶圆前，就开始计划将设备升级为2nm工艺的配套设备，这种说法可能并非空穴来风。但按照三星的规划，其2nm产能至少要到2027年才能量产。

三星2nm工艺不仅要面对良品率较低的老问题，而且还要将性能功耗提升到客户所期望的水平，这可能是承受了数万亿韩元亏损的三星代工业务的最后机会。三星代工翻车是从高通骁龙888芯片出现了过热问题开始，这是由于当时三星的5nm工艺结合Arm的X1超大核心功耗过高导致的，因此从骁龙8+ Gen1开始，高通骁龙8系平台转投台积电。如果骁龙平台转向三星2nm工艺制程，那么其功耗问题将会是业内关注的热点。

另一边的英特尔，虽然已经完成18A工艺（等效2nm）的试生产工作，但被曝良率过低，且公司正处于动荡期，量产时间也是遥遥无期。台积电过于有统治力的市场主导地位在2nm制程上仍会延续。从目前的进度来看，先进制程的主要竞争者在2nm上依旧不能望其项背。