全球首款3nm芯片，正式發佈_風聞

雖然台積電3nm芯片已經量產，但截止昨天，我們都沒有看到芯片公司發佈相關產品。到了今天，這個局面終於被打破了。

美國芯片公司Marvell表示，公司基於台積電 3 納米 (3nm) 工藝打造的數據中心芯片正式發佈。據Marvell介紹，公司在該節點中的業界首創硅構建模塊包括 112G XSR SerDes（串行器/解串行器）、Long Reach SerDes、PCIe Gen 6 / CXL 3.0 SerDes 和 240 Tbps 並行芯片到芯片互連。

按照Marvell所説，SerDes 和並行互連在芯片中充當高速通道，用於在chiplet內部的芯片或硅組件之間交換數據。與 2.5D 和 3D 封裝一起，這些技術將消除系統級瓶頸，以推進最複雜的半導體設計。SerDes 還有助於減少引腳、走線和電路板空間，從而降低成本。超大規模數據中心的機架可能包含數以萬計的 SerDes 鏈路。

根據他們提供的數據，新的並行芯片到芯片互連可實現高達 240 Tbps 的聚合數據傳輸，比多芯片封裝應用的可用替代方案快 45%。換句話説，互連傳輸速率相當於每秒下載 10,000 部高清電影，儘管距離只有幾毫米或更短。

Marvell 將其 SerDes 和互連技術整合到其旗艦硅解決方案中，包括Teralynx開關_,PAM4和相干DSP,Alaska 以太網物理層 (PHY)設備，OCTEON處理器_,Bravera存儲控制器,Brightlane汽車以太網芯片組和定製 ASIC。而轉向 3nm 工藝使工程師能夠降低芯片和計算系統的成本和功耗，同時保持信號完整性和性能。

3nm，台積電的新里程碑

據台積電介紹，公司的3奈米（N3）製程技術將是5奈米（N5）製程技術之後的另一個全世代製程，在N3製程技術推出時將會是業界最先進的製程技術，具備最佳的PPA及電晶體技術。相較於N5製程技術，N3製程技術的邏輯密度將增加約70%，在相同功耗下速度提升10-15%，或者在相同速度下功耗降低25-30%。

不過，N3 的工藝窗口（產生定義結果的參數範圍）相對較窄，就產量而言可能並不適合所有應用。而且，隨着製造工藝變得越來越複雜，它們的尋路、研究和開發時間也越來越長，所以我們不再看到台積電和其他代工廠每兩年出現一個全新的節點。對於 N3，台積電的新節點導入週期將延長至 2.5 年左右。這意味着台積電將需要提供 N3 的增強版本，以滿足其客户的需求，這些客户仍在尋求每瓦性能的改進以及每年左右晶體管密度的提升。

在2022 年技術研討會上，台積電也討論了四種 N3 衍生製造工藝（總共五個 3 納米級節點）——N3E、N3P、N3S 和 N3X——這都將在未來幾年推出。這些 N3 變體旨在為超高性能應用提供改進的工藝窗口、更高的性能、更高的晶體管密度和增強的電壓。

其中N3E 提高了性能，降低了功耗，並增加了工藝窗口，從而提高了亮了。但代價是該節點的邏輯密度略有降低。與 N5 相比，N3E 的功耗將降低 34%（在相同的速度和複雜度下）或 18% 的性能提升（在相同的功率和複雜度下），並將邏輯晶體管密度提高 1.6 倍。

根據報道，台積電將在 2024 年左右的某個時候推出 N3P（其製造工藝的性能增強版本）以及 N3S（該節點的密度增強版本）。但台積電目前並未透露這些變體的更多信息。對於那些無論功耗和成本都需要超高性能的客户，台積電將提供N3X，本質上是N4X的思想繼承者。同樣，台積電沒有透露有關該節點的詳細信息，只是説它將支持高驅動電流和電壓。

值得一提的是，台積電所有這些技術都將支持 FinFlex，這是台積電的一項“秘方”功能，可大大提高設計靈活性，並允許芯片設計人員精確優化性能、功耗和成本。簡而言之，FinFlex 允許芯片設計人員精確定製他們的構建模塊，以實現更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

在實際應用中，台積電的 FinFlex 技術將允許芯片設計人員在一個塊內混合和匹配不同類型的標準單元，以精確定製性能、功耗和麪積。對於像 CPU 核心這樣的複雜結構，這種優化提供了很多機會來提高核心性能，同時仍然優化芯片尺寸。

但是，我們必須強調的是，FinFlex 不能替代節點專業化（性能、密度、電壓），因為工藝技術比單一工藝技術中的庫或晶體管結構有更大的差異，但 FinFlex 看起來是優化性能、功率和成本的好方法台積電的N3節點。最終，這項技術將使基於 FinFET 的節點的靈活性更接近於基於納米片/GAAFET 的節點，這些節點將提供可調節的通道寬度以獲得更高的性能或降低功耗。

三星3nm，起了個大早

其實早在台積電公佈3nm量產之前，三星早就宣佈已經實現了3nm工藝的量產。

2022年六月，三星宣佈已開始了採用環柵 (GAA) 晶體管架構的 3 納米 (nm) 工藝節點的初始生產。其中用到的多橋通道 FET (MBCFET ) 是三星首次採用的 GAA 技術，該工藝突破了 FinFET 的性能限制，通過降低電源電壓水平提高功率效率，同時還通過增加驅動電流能力提高性能。該公司也正在開始將納米片晶體管與半導體芯片一起用於高性能、低功耗計算應用，並計劃擴展到移動處理器。

三星表示，藉助公司專有技術利用具有更寬通道的納米片，與使用具有更窄通道的納米線的 GAA 技術相比，可實現更高的性能和更高的能效。利用 3nm GAA 技術，三星將能夠調整納米片的通道寬度，以優化功耗和性能，以滿足各種客户需求。

此外，GAA 的設計靈活性非常有利於設計技術協同優化 (DTCO)，這有助於提高功率、性能、面積 (PPA) 優勢。與5nm工藝相比，第一代3nm工藝相比5nm功耗最高可降低45%，性能提升23%，面積減少16%，而第二代3nm工藝則功耗最高可降低50%，性能提高 30%，面積減少 35%。

如上所述，和台積電的工藝不一樣，三星3nm採用了GAA晶體管，這開啓了一個新時代。

自 2019 年他們最初宣佈該技術以來，三星一直致力於 3nm/GAAFET 技術的研發。三星特有的 GAA 晶體管技術是多橋通道 FET (MBCFET)，這是一種基於納米片的實現。基於納米片的 FET 高度可定製，納米片的寬度是定義功率和性能特徵的關鍵指標：寬度越大，性能越好（在更高功率下）。因此，專注於低功耗的晶體管設計可以使用更小的納米片，而需要更高性能的邏輯可以使用更寬的納米片。

在三星3nm被髮布早期，業內人士一直在詬病其良率，但據業內人士在今年一月透露，三星電子公司週一大幅提高了其為無晶圓廠客户生產的業界最先進的 3 納米芯片的良率。知情人士表示，三星的第一代 3 納米工藝節點的生產良率達到了“完美水平”，但他沒有進一步詳細説明。

而在此前，台灣媒體報道稱，台積電的3納米工藝生產良率高達85%，高於三星。但韓國業內消息人士淡化了這份報告，稱這個數字似乎被誇大了。他們表示，考慮到台積電向蘋果提供業界最小芯片的量產和交付時間表，其生產良率最多為50%。

按照媒體所説，因為在第一代3nm上折戟，三星正在大力投入到第二代工藝的研發中。

報告披露，三星第二代3nm GAA 工藝將會在2024年量產，工藝將加入MBCFET 架構，性能也將提升不少。雖然三星並沒有分享4nm 節點的統計差異，但與該公司5nm 工藝相比，第二代3nm GAA 仍有望降低多達50% 的功耗、提升30% 性能、以及減少35% 的晶片面積佔用。

巨頭會師2納米，決戰

雖然三星和台積電都在3nm上花了不少心思，但從過去的新聞和廠商的公告可以看到，似乎大家都對第一代的3nm工藝不感興趣。例如市場上一度傳言，蘋果會成為台積電第一代3nm工藝的唯一客户。不過，這家美國巨頭迄今都沒有公佈其3nm產品。

由此可見，第一代3nm不被看好是業界共識了。但市場對工藝的追逐從目前看來，尚未停止。除了這兩家晶圓代工廠以外，據報道，英特爾也將在2023年年底推出其 3nm 工藝節點。而他們似乎也把目光定在了2nm。

屆時，英特爾的Intel 20A（2nm）將迎來Angstrom時代，利用GAA（RibbonFET）晶體管和PowerVia技術提高功率保持能力。英特爾的競爭對手台積電將在 2025 年採用其2nm 節點的 GAA ，在芯片製造商遇到小型化極限時讓前者領先一步。再加上將於2025 年實現 2 納米原型線的日本新創企業Rapidus 和三星。

對芯片公司而言，如何面對芯片設計挑戰和成本挑戰，會是未來他們未來多年的頭等大事。