3nm，台积电的一道小坎

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。

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，根据国内极客湾的测试，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。

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。

为选择更好的控制电流，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. 跟三星不同調！台積電 3 奈米架構沿用 FinFET，首席科學家黃漢森揭背後決策——bnext

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