台积电初代3nm为什么被抛弃？

前不久，“手机晶片达人”在微博上提到台积电内部决定放弃N3工艺，连苹果都放弃了N3；台积电转而将注意力放到N3E工艺上...

其实这则消息并不意外。

台积电在今年早前的Technology Symposium技术研讨会上，N3部分是被一笔带过的，台积电就技术层面花了比较多的精力去谈N3E工艺。且当时就已经基本明确，N3不会成为客户采用的主流工艺——据说在这个节点很早就已经遭到抛弃。

台积电和三星的3nm“期货”工艺

今年初，我们撰文谈过台积电和三星的3nm工艺。当时我们还吐槽过三星的“期货”3nm：2019年4月，三星就宣称3GAE的PDK 0.1问世；但去年三星Foundry公布的路线图上，原定2022年量产的初代3GAE工艺就不见了，国外媒体AnandTech认为3GAE可能只是某个内部试产的节点。

这件事情似乎也出现在了台积电身上。此前的消息都明确提到，台积电N3工艺预计于2022年下半年量产（比上代节点进入规模化量产的时间更久）。N3工艺仍然采用FinFET结构器件。此前台积电说N3相比于N5，同功耗下能实现大约10-15%的速度提升；同性能下达成25-30%的功耗降低。

针对数字逻辑电路，N3实现了1.7倍的晶体管密度提升；而在模拟电路上达成的密度提升为1.1倍；SRAM单元的密度提升为1.2倍。从计划表来看，N3理论上应该在这两个月进入量产。

但从台积电的技术研讨会来看，N3并不会成为主流节点，早前就已经被放弃。Wikichip说似乎台积电的工程师在N3工艺开发上遇到了一些问题，所以决定中途变向。而此前计划中N3工艺的加强版节点N3E，实际上和N3有着比较大的差异，从PPA到设计规则都不同。

这么看来，台积电N3实际扮演的角色和三星3GAE就非常类似，大约是为了达成此前所说量产时间的预期。或者说台积电再次对于竞争对手三星率先公布3nm量产时间节点的某种回击？这在foundry厂之间，好像也已经不再奇怪了；毕竟4nm也差不多是这样。

接棒的加强版N3E工艺

半导体尖端制造工艺技术的初代节点被放弃其实并不奇怪，这其中的先锋应该是Intel才对。Intel的初代10nm工艺是在2018年就出现的，但由于良率和性能问题，Intel迅速抛弃了当时少量试产的Cannon Lake处理器和初代10nm工艺，就仿佛初代10nm根本没存在过一样。

三星、台积电和Intel都遭遇了这种事，就充分说明半导体制造的尖端工艺，在技术上有多容易碰壁。即便抛开这几家厂商市场嘴炮所致的非良性宣传，未来各家是否真的能够如时间表那样如期量产新的工艺节点，都会成为一个巨大的未知数。

N3E作为N3的接棒者，理论上就要靠谱许多了。N3E工艺当然还是采用FinFET结构器件。N3E虽然被台积电放到了N3家族之下，但这两者的差别还是比较大的。首先就是设计规则存在很大不同，所以这两个节点是相互不兼容的，芯片设计客户从N3到N3E没有直接的IP迁移路径。

同时台积电表示N3E相比N3，能够通过工艺更低的复杂度达成更高的良率——换句话说这是个降本增效的工艺。那么很显然，通常客户应该都会选择N3E。更重要的是台积电提到，N3E提供完整的平台支持，包括智能手机和HPC应用。对于像苹果这样的大客户而言，iPhone、Mac芯片都是由台积电生产制造的，选择N3E更是必然之举。

台积电表示，PDK 0.9已经交到客户手上。从此前的计划来看，N3E应该在N3一年之后出现，也就是2023年下半年，为止是否会有变化。

从PPA的角度来看，N3E和N3也不一样。N3E相比N5，数字逻辑电路的器件密度提升大约为1.6倍，模拟电路密度提升1.1倍。所以N3E实则相较N3是有器件密度的小幅下降的——但这也正常，同家族内工艺演进的器件密度退步是常事。Wikichip预计，N3E的晶体管密度在180-220 MTr/mm²（百万晶体管每平方毫米）之间。

就器件密度问题，台积电还给出了一个数据，在一颗芯片50%逻辑电路密度+30% SRAM密度+20%模拟密度的情况下，则N3E的“芯片密度”提升为1.3倍。我们始终认为，这个数据相比于厂商公布的密度提升数据，以及评测分析机构普遍给出的晶体管密度数据更有参考价值。

另外，台积电表示N3E有着更高的良率，性能和功耗表现也都更出色：同功耗下，速度提升15-20%；同性能下，功耗降低30-35%。从此前台积电公布有关N3的数据来看，N3E相比N3似乎有着比较显著的进步。

标准单元库方面，N3E有HP、Mid和HD单元。比较值得一提的是，单元库层级出现了一种FinFlex的方案。这似乎是一种让电源轨更靠近，优化单元布局的技术；或者说多单元库某种更细粒度的组合方案，可以达成更好的性能和电特性。具体有针对高性能应用的3-2 Ultra High Performance和针对低功耗的2-1 Ultra Power Efficient方案可选。

这种FinFlex技术的出现，实则也让“晶体管密度”的计算方式有了更大的商榷余地。预计未来随着器件排布方式的持续变化（和3D化），“晶体管密度”究竟怎么算大概还会有一次标准上的转变。现在所谓的晶体管密度，主要是根据此前Intel提出的计算方法来的。

最后值得一提的是，N3E节点家族内还会有N3P、N3X、N3S、N3RF多种选择。其中N3S算是N3E的高密度版，据说N3S将有着3nm家族之内最高的器件密度，主要是单元库层面的优化——那么很显然这就是主要面向低功耗的应用了。N3S大约会在N3E的两个季度以后上量，也就是2024年年中的样子。N3P和N3X都主要针对高性能应用，目前没有这两者的PPA数据和具体的面试时间。

半导体尖端制造工艺技术范畴内，台积电最大的客户应该就是苹果了。从苹果芯片的迭代可见尖端制造工艺技术推进的缓慢。2020年iPhone 12的A14芯片采用台积电5nm工艺，次年iPhone 13的A15仍然是5nm，今年iPhone 14的非Pro系列不仅继续沿用A15，而且Pro系列的A16虽说用上了“更先进”的N4P工艺，但实际上仍然是N5同家族内的工艺改良。

3年都是同代工艺…而这A14→A15、A15→A16也真的堪称苹果芯片史上性能提升幅度最小的两次迭代了，虽说苹果本身大概也有一定的责任，半导体制造工艺技术升级缓步才是其中根本。未来行业将面对的工程问题只会越来越大。