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台积电与苹果“对赌”3nm芯片,和三星决“生死”

来源:腾讯科技 发布时间:2023-09-21 13:46:30 作者:汪波
iPhone 15和iPhone 15 Pro系列正式亮相,“超大杯”的核心芯片A17 Pro成为今年的亮点之一。


A17 Pro采用了台积电最新的3nm工艺(N3)制造,晶体管数量达到190亿,这是台积电3nm工艺首次应用在顶尖芯片上,而3nm工艺将比5nm工艺的晶体管密度多70%、同等功耗下速度可提升15%,或者同等速度下功耗降低30%。

根据台积电的资料,其3nm节点可以分为N3B、N3E、N3P、N3X等,这里的N3B也就是N3,而之所以做了这么多拆分,是因为台积电在不同的技术指标上进行了对应的优化。

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图为台积电工艺节点路线图

尽管A17 Pro首发了N3工艺,但是它的诞生并非一帆风顺,首先是延期。有消息称苹果原计划是在A16上导入这一节点,换句话说N3首发整整晚了一年。另外,一度有消息称苹果一度计划放弃N3,理由是其能效不达标,而台积电也有意放弃,猜测的理由是缺少核心客户,而事实也是如此,包括像AMD、英伟达、联发科这些企业,也确实都转向了N3E。

更为反常的是,就在新iPhone发布前,一则台积电和苹果签订的“对赌”协议将台积电推向了舆论的焦点。

协议规定,未来一年台积电3nm将只为苹果专用,如果生产的芯片中有不良的废片,将不再按业界惯例由客户(即苹果)埋单,而是由台积电自己消化。据估计,仅仅这一项就能为苹果节省几十亿美元的额外费用。

这次台积电的让步很不寻常,因为苹果将独占目前最先进的台积电的3nm工艺长达一年的时间,这将让苹果的产品更有竞争力。为何台积电肯打破惯例为苹果做出如此大的让步呢?

台积电为苹果代工生产芯片的历史可以追溯到2014年,苹果将iPhone 6上的A8自研芯片交给台积电代工。

彼时,苹果也在三星代工生产芯片,但因为双方的智能手机竞争、供应链安全等诸多原因,苹果将越来越多的芯片交给台积电生产。现在,苹果所有的芯片都由台积电代工,并成为了台积电最大的客户。

今年6月,苹果在发布头显Vision Pro的同时发布了两款高性能的芯片M2 max和M2 ultra,采用台积电增强型5nm工艺制造。而更早的M1系列芯片也是由台积电(标准5nm工艺)加工。

近10年的磨合,从手机扩展到最前沿的XR设备,两家公司已经深度绑定,难以分割。



01
 “废片”与260亿元的难题



而此次台积电为苹果打破惯例的做法,让业界深感意外。有人说台积电已被苹果精准“拿捏”:如果不签这个协议,有可能失去这家占台积电营收1/4的大客户的订单,没有哪个客户会像苹果那样能对顶尖芯片下如此大的订单。而如果签了,A17 Pro芯片将成为台积电自己手中的“烫手山芋”!

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A17 Pro 对比 A16,来源:网络

接下来我们会重点的讲一讲为什么A17 Pro会成为“烫手的山芋”,台积电又将如何来解决这个问题。

这要回到半导体制造业的一个基本概念:良率,即一整片加工出来的晶圆上能正常工作的芯片的占比。一块晶圆片上可以同时制造数百颗同样的裸芯片,之后将晶圆片上的裸芯片切割开来,封装后安装到电子产品上。

根据业界惯例,晶圆上的不良芯片将由客户买单,制造厂并不承担这笔费用。但客户也并非完全承担损失,因为有些不良芯片并非完全坏掉了,而只是无法发挥100%的设计性能。只需降低芯片工作频率,其中一部分不良芯片还是可以在低端产品上继续使用的,这样客户也会挽回一部分损失。

一般来说,半导体制造业在加工成熟工艺时,良率能达到99%以上。业内有消息称,这次台积电为苹果iPhone15制造的A17 Pro芯片良率很低,仅达到了70-80%,换句话说,台积电要为20%-30%的不良芯片买单,我们可以大概算一笔账,看看台积电要花费多少冤枉钱。

每片3nm晶圆大约3万美元,不良率按较低的20%计算,每月加工5万片12寸晶圆,那么12个月台积电要为此额外支出费用就是36亿美元(约合人民币260亿元),这笔钱占了2022年台积电利润341亿美元的10.6%。

如果上述计算符合实际情况,那么如果要扭转这种“巨亏”的局面,台积电唯一能改变的就是良率。



02
良率问题“扼杀”贝尔实验室



良率不仅决定台积电这一家企业盈亏,也决定了芯片行业能否按照摩尔定律预测的节奏前进,甚至决定了芯片是否能发明出来。

20世纪50年代,最有可能发明芯片的机构是贝尔实验室,它势力雄厚,人才济济,更重要的是,它拥有发明芯片技术所需的几乎全部基础技术(硅晶体管、光刻、扩散技术、硅晶圆拉伸与提纯等),但却完美地错过了这一载入史册的重大发明,而将芯片的发明拱手让给了当时两家名不见经传的小公司:德州仪器和仙童半导体。

何以至此?从中作梗的,正是良率。

贝尔实验室当时的研发主管莫顿认为,如果将众多晶体管集成起来,那么整体的良率将是每个晶体管良率的乘积。假设一个晶体管的良率是99%,一颗芯片上有100个晶体管,芯片的整体良率将是100个99%的乘积,即36%。

如果芯片上有500个晶体管,良率将降低到7/1000。芯片上有1000个晶体管呢?良率将再次降低到4/100000,几乎等于0。这意味着,芯片规模越大,报废的可能性也越大,就越亏本。

莫顿的同事坦嫩鲍姆也举了一个形象的例子,“你向芯片篮子里放的鸡蛋越多,就越有可能碰到一颗坏的蛋。”后来当大规模集成电路(Large Scale Integrated-circuits)兴起时,莫顿嘲笑其为“大规模白痴”(Large Scale Idiot)

莫顿的分析看似严密,但真的如此吗?

早期影响芯片良率的主要因素之一是空气中的灰尘。当微米尺寸的灰尘落到晶圆表面,就会让当时微米级别的晶体管发生故障。莫顿认为灰尘是平均分布的,但实际上并非如此。可能有些区域没有灰尘,那里的良率可以达到100%。如果把灰尘颗粒比作射出的箭,将硅晶圆比作靶子,晶体管比作靶心,尺寸越小,被灰尘“击中”的概率越低。由于灰尘可能较大,一次损坏多个晶体管,但它们同属于一颗裸芯片,所以只有这一颗芯片被损坏,其他位置的芯片还是好的。这样芯片的良率不是像莫顿估计的那样接近于零。



03
保护脆弱的硅晶圆



与莫顿的严密思维相反,那些“不信邪”的小公司德州仪器和仙童半导体等,不断地探索提高芯片良率的方法。

早先,制造厂将芯片制造车间改成成无尘的超净间,通过空气过滤系统使得超净间比医院的手术室还要干净1000倍以上。而且,每个进入超净间的人都要穿上严密的防护服(俗称兔子服),从头到脚遮挡起来,避免毛发和汗液影响那些脆弱的硅晶圆。

还远远不够,当前先进工艺车间,几乎已经看不到操作员,只有机器人和机械臂在全自动地完成各项操作。

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台积电超净间的工程师,数据显示硕士毕业生新入职年薪可达到45.5万元。

对良率最有发言权的莫过于台积电的创始人张忠谋。张忠谋早年加入德州仪器时,负责半导体制造业务,为IBM代工的电晶体,当时的良率只有2%-3%,而在张忠谋的操刀之下,这一良率提升至20%以上,超过客户IBM自有产线。后来张忠谋回忆,自己“立了大功,被公司送到斯坦福念博士”,解决良率问题,应是其在德州仪器“大功”之一。

良率还关乎摩尔定律前进的节奏。如果电路设计师将晶体管尺寸设计得比摩尔定律预计得还要小,那么晶圆厂加工困难,就会让良率遭受打击,让成本飙升,苹果的A17 Pro,应该属于这一类问题。

所以芯片更新换代并不是越快越好,而是要符合成本最低的原则。可以这样理解,良率决定了芯片的成本,而成本下降的速度决定了芯片更新换代的快慢,即摩尔定律的节奏。

当前,一整块制成的晶圆已经高达数万美元,良率稍有降低,就会急剧提升成本,所以业界对良率的追求变得更加急迫。

提高良率的一个新趋势是采用更小的裸芯片。还是射箭的例子,如果将中10环靶心比作裸芯片,同样的,裸芯片面积越小,被损害的概率也越小,小芯片技术(chiplet)应运而生——将一大块裸芯片拆分成许多小芯片,让每颗小芯片的面积更小,良率提高。然后再将许多小芯片在硅晶圆以及基板上封装在一起,做出一块更大的芯片。

今年6月苹果发布的M2 Ultra就是用两块较小的M2 Max芯片拼在一起,确切地说是用2.5D封装技术实现的,所以也就有了“胶水芯片”的外号。



04
台积电的生死之战



2个月前,有消息称台积电3nm工艺的良率仅为55%,最新消息是70-80%,这是一个不错的进步。如果在未来的几个月内,台积电能继续将良率提高到90%甚至95%以上,废片带来的成本问题就会大幅降低。

假设3nm的良率能提高到95%,那么台积电需要额外支付的成本将从36亿美元降低到9亿美元。如果良率达到98%,那么台积电的额外成本将被进一步压缩到3.6亿美元。

那样的话,结论就会反转,台积电由于良率提高而节省下来的30多亿美元成本将不再是软肋,而是铠甲。

改善良率压缩成本提高利润率符合正常的商业逻辑,但不能完全解释台积电要替客户埋单废片的事情,所以也可以从整个行业的视角来台电的这一反常举动。

一个信号是,三星于去年6月份正式宣布其已开始大规模生产基于3nm GAA制程工艺技术的芯片,作为对比,台积电的3nm,晚了一年,且用的还是FinFET工艺。

在不考虑三星良率的情况下,摆在苹果等一众客户面前的3nm制造商的选择,有两个,三星和台积电,而台积电在先进工艺的代工上已经有了一家独大的势头。此前,6月份,有传言称台积电已经和包括苹果、英伟达这些核心客户沟通,2024年开始涨价3%-6%不等,尽管台积电对此表示不予置评。

当初苹果基于供应链安全,选择台积电而放弃三星的动作,在时空变换之后,慢慢显现出对调之势,这个时候如果三星能够拿出良率、产能都有保证的3nm解决方案,“去台积电化”就将成为定局。所以,当时行业里也有一个观点,台积电和三星的3nm之争,说的是“既分高下,也决生死”,这个是值得关注的。

所以,对于台积电来说,在3nm上守住苹果这个客户,也就等于守住了三星。

另外,也不要忘了英特尔,它手中的Intel 3工艺也是2024年量产,号称可以超过台积电的3nm,而它当年也被台积电“横刀夺爱”。


标签: 台积电