3nm，台積電的一道小坎

2023 年 9 月 13 日，蘋果的秋季新品發佈會上，與 iPhone 15 Pro 系列一同登場的，還有全球首款 3nm 芯片 A17 Pro，其依舊出自蘋果的老朋友台積電之手。

在這款芯片發佈前，大家都對它寄予了厚望，與 4nm 這樣的小節點相比，3nm 是繼 5nm 後又一次重要的工藝迭代，回顧過往歷史，每次工藝的大升級，都會帶來芯片性能的又一次大幅度提升，而 3nm 本該也是如此。

但意外偏偏發生了，這顆本應強大的 A17 Pro 芯片提升幅度並沒有大家想象中那麼大，反而 iPhone 15 Pro 的發熱問題，讓蘋果變成了 “火龍果”。

那麼，發熱發燙這個鍋，是不是要讓台積電來背呢？

神仙難救的散熱

很快就有人為台積電撐腰了，天風國際分析師郭明錤今日發文，針對目前蘋果 iPhone 15 Pro 手機過熱問題進行了解讀，並表示 “與台積電 3nm 製程無關”。

郭明錤稱，iPhone 15 Pro 系列的過熱問題，與台積電的 3nm 製程無關，主要很可能是為了讓重量更輕，因此對散熱系統設計作出了妥協，像是散熱面積較小、採用鈦合金影響散熱效果等。

當然，這話説得確實挑不出毛病，根據目前的拆解來看，iPhone 15 Pro 依舊採用的雙層主板，背部是 ROM 芯片，面前的是基帶芯片，都是發熱量較大的幾顆芯片，把它們放到一起，無異於讓 A17 Pro 待在篝火旁邊，負載一大，火勢就會變大，不僅處理器降頻運行，用户也會很快就會感受到手機發熱。

外加蘋果在這次發佈會上吹了很久的鈦合金邊框，實際上還變相加劇了 iPhone 散熱差的毛病，鈦的導熱係數λ=15.24W/（m.K），約為鎳的 1/4，鐵的 1/5，鋁的 1/14，而各種鈦合金的導熱係數比純鈦的導熱係數還有再下降約 50%，這也就是説 iPhone 15 Pro 雖然輕了，但是散熱反而不如 iPhone 15 的鋁合金邊框和 iPhone 14 Pro 的不鏽鋼邊框。

但是郭明錤這番話也並不全面，根據國內極客灣的測試，iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Pro Max 的續航時間相較於上一代，反而出現了倒退，下降了幾十分鐘左右，在電池容量微增的基礎上，續航時間反而縮短，除了處理器本身性能調度原因外，問題恐怕還是出在了 A17 Pro 的本身的能效表現上了。

根據 Techinsights 的芯片拆解，與 A16 相比，A17 Pro 每顆性能核心和效率核心的面積減少了 20%，每個 GPU 核心的面積增加了 5%，整體 GPU 核心增加了 20%，且由於工藝製程的進步，A17 Pro 芯片的整體面積略有縮小，但晶體管數量來到了新高，為 190 億，對比上代的 160 億晶體管，增加了近 20%，能夠完成如此大的升級，台積電 3nm 工藝功不可沒。

但根據蘋果官方的公告，A17 Pro 的 CPU 整體性能只是比上一代提升了約 10%，提升幅度達到 20% 的 GPU 又有很大程度上是因為 5 核變 6 核，只有 NPU 提升幅度最大，算力從 17TOPS 升級到 35TOPS，不難猜測它的實際規模變大了不少，外加新的 USB 3 控制器的加入，這些就是 A17 Pro 的主要升級點了，並未完成很多人預期裏的大幅度跨越。

當 A17 Pro 褪去了神話光環之際，台積電的 3nm 也備受質疑。

FinFET 氣數已盡

為什麼在 4nm 還順風順水的台積電，唯獨到了 3nm 時卻翻了車呢？

在 5nm 時，無論是台積電還是三星，都採用了 FinFET（鰭式場效晶體管）的技術來控制流過晶體管的電流，這種技術能從「三面」來控制電子的通過（如下圖），若電子沒有被好好控制而亂跑，就會造成漏電，繼而使手機的温度升高。

為選擇更好的控制電流，兩家半導體巨頭都發展出從「四面」來控制電子通過的技術，稱作 GAA（Gate-All-Around），進一步防止漏電發生。但在 3nm 這一節點，台積電選擇續使用 FinFET 工藝，直到 2 納米才轉換成 GAA，三星則搶先在 3 納米時導入 GAA，雖然目前還未大規模量產，但有望提供比 FinFET 更好的功耗與密度。

2011 年，英特爾首度在 Ivy Bridge 微架構處理器上應用 22nm FinFET 技術，2014 年，台積電和三星首度在 16/14nm 工藝裏導入 FinFET 工藝，在隨後的幾年時間當中，FinFET 成為了眾多晶圓廠熱捧的技術，傳統平面工藝無法滿足先進製程的需求，摩爾定律再一次得到延續。

但沒過幾年，到了 7nm 製程以下，靜態漏電的問題越來越大，原本製程演進的功耗和性能紅利逐漸消失，FinFET 無法滿足 3nm 及更先進製程的需求已成為了大家的共識，何時導入 GAA 就成為很多人關心的重點，英特爾和台積電選擇在 3nm 上繼續沿用 FinFET，而處於競爭劣勢的三星下定決心，在 3nm 就引入 GAA 技術，力圖爭取到更多客户。

在 2020 年 8 月的台積電技術研討會上，台積電表示，它已對其 FinFET 技術進行了重大更新，N3 即 3nm 會使用 FinFET 的擴展和改進版本，性能增益高達 50%，功耗降低高達 30%，密度增益比 N5 提高 1.7 倍，不過這裏需要注意的是，這部分對比僅僅是初代 N3 與 N5 的對比，在 N5 經過多輪迭代升級到最新的 N4 之後，實際提升並沒有研討會上公佈的那麼美妙。

回過頭再來看 GAA，台積電將其稱為 nanosheet FET，Intel 稱其為 RibbonFET，這些技術本質都是一樣的，就是把 FinFET 的 fin 轉 90°，然後把多個 fin 橫向疊起來，這些 fin 都穿過 gate——或者説被 gate 完全環抱，所以叫做 gate all around；另外每個翻轉過的 fin 都像是一片薄片 (sheet)，它們都是 channel，因此也被稱為 nanosheet FET。

從結構上來看，GAAFET 電晶體的 gate 與 channel 的接觸面積變大了，且每一面均有接觸，也就能夠實現相比 FinFET 更好的開關控制。而且對於 FinFET 而言，fin 的寬度是個定值；但對 GAAFET 而言，sheet 本身的寬度與有效通道寬度是靈活可變的。更寬的 sheet 自然能夠達成更高的驅動電流和性能，更窄的 sheet 則佔用更小的面積。

台積電沒在 3nm 用 GAA 的原因並不難理解，成本和技術。成本是新工廠新設施吃掉的資本投入，而技術呢，例如硅基通道中較低的空穴遷移率 (hole mobility)，導致 pFET 性能表現不佳。IBM 在之前的 IEDM 上表示，這一問題的解決方法在於 pFET 可應用壓縮應力的鍺化硅 (SiGe) 通道材料：「pFET 鍺化硅通道能夠實現 40% 的遷移率提升，相較硅基通道有 10% 的性能優勢，而且有更低的閾值電壓 (Vt)，負偏壓温度不穩定性 (NBTI) 表現也有提升。」

當然 GAA 的好處並不明顯可能也是台積電的顧慮之一，三星此前談到了 3nm GAA 製程，其比 4nm FinFET 在頻率和功耗方面的優勢，如下圖所示，但圖中並沒有提供絕對值和相對值，其只是籠統地説，3nm GAA 與 4nm FinFET 電晶體相比，在相同的有效通道寬度 (Weff，fin/sheet 的寬度× fin/sheet 的個數) 下，3nm GAA 能夠達成更高的頻率；與此同時達成更低的功耗。

種種原因讓台積電打定主意，在 2nm 才會使用 GAA，3nm 成為了最後一代 FinFET，這也為 A17 Pro 的翻車埋下了伏筆。

更要命的當然還是良率問題，根據 Hi Investment & Securities 的數據，三星的 3 nm 良率估計超過 60%，相比之下，台積電的 3 nm 良率約為 55%，新技術的良率幾乎與舊技術良率持平，讓人不由想起了幾個月前曝光的蘋果與台積電之間的 “甜心交易”：蘋果向台積電下鉅額 3nm 芯片訂單，但是要求不合格芯片成本均由台積電自己承擔，蘋果只需要為良品芯片付費，有媒體表示，這樣下來，蘋果每年可節省數十億美元。

如果良率足夠高，蘋果也沒必要專程與台積電達成這項交易了，而台積電自 2022 年量產 3nm 至今，良率仍然沒有到達蘋果的底線，如今在能耗表現上也不理想，接下來能否説服更多客户接受這樣一個價格再次上漲的工藝，或許才是台積電在 2024 年需要解決的大問題。

3nm 誰領風騷？

目前，台積電為蘋果代工的依舊是 N3B 即第一代 3nm 工藝，該工藝的好處是晶體管密度大幅增加，即 A17 Pro 實現的 190 億晶體管，而明年登場的 N3E，在晶體管密度上表現會稍遜一籌，但功耗控制方面更加理想，包括蘋果在內的的多家廠商都有意採用這項工藝，如果屆時台積電能大幅提升良率，相信上門的 Fabless 廠商依舊會絡繹不絕。

但三星早已拿着 GAA 的 3nm 虎視眈眈，一旦台積電犯下錯誤，原本屬於它的訂單就有可能流向老對手，而這樣的局面早在 16nm 和 7nm 時就上演過，如今 3nm 懸而未決，未嘗沒有再發生一次的可能性。

3nm，是台積電亟需跨過的一道小坎。

參考文獻

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，與 A15/A16 配置對比——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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