三星首代3nm工艺弯道超过台积电：只能说互有胜负

近期，三星电子宣布开始量产采用全环绕栅极 ( Gate-All-Around，简称 GAA ) 的 3 纳米制程工艺芯片。台积电当前使用的是 4 纳米工艺 ( 鳍式场效应管，FinFET ) ，第一代 3nm ( N3 ) 预计在 2022 年下半年量产，三星似乎在 3nm 工艺节点上超过台积电，但三星 3nm 技术真的超过了台积电？

在传统的印象中，半导体工艺的数字越小，代表其制造工艺越先进。但随着半导体制造工艺进入到 14nm 节点，传统的制造工艺命名就开始被 " 玩坏 "，制造工艺已经变成数字游戏，也不再被业界承认。

为了更好的解决命名问题，英特尔提出新的标准，按照英特尔的新标准，使用 10nm 工艺芯片，理论每平方毫米要拥有 1 亿个晶体管。但事实上，台积电的 10nm 工艺晶体管密度为 4810 万 / 平方毫米，三星则是 5160 万 / 平方毫米，与英特尔依然存在一代的差距。

由于工艺的命名没有统一的行业标准，普通消费者会选择更直观的数字进行比较，但各个晶圆厂之间的命名方式，是无法满足直接对比要求的。比如三星宣布开始量产的 3nm 工艺，在很多方面强于 5nm 工艺，其中的 5nm 是和三星自家的产品相比，那它能否超越台积电的 5nm？

首先是来自三星官方的说法，与 5 纳米工艺 ( 三星 5nm ) 相比，第一代 3 纳米工艺可以降低 45% 功耗、性能提升 23%、芯片面积减少 16%。非常有趣的是，按照摩尔定律每 18～24 个月晶体管数量翻倍来看，三星从 5nm 到 3nm 也未实现翻倍的目标。

根据 ScottenJones ( ICKnowledge，via Semiwiki ) 和 DavidSchor ( WikiChipFuse ) 提供的数据，三星 5nm 工艺 ( 5LPE ) 的晶体管密度大约为 126.5MTr/mm2，与台积电 5nm 工艺 ( N5 ) 的晶体管密度大约为 173.1 MTr/mm2 相比。

三星公布的第二代 3 纳米工艺，则会使芯片功耗降低 50%、性能提升 30%、芯片面积减少 35%。由此可以计算出三星第一代 3nm 工艺 ( 3GAE ) 晶体管密度大约为 150.6MTr/mm2，第二代 3nm 工艺 ( 3GAP ) 晶体管密度大约为 194.6MTr/mm2。

竞争对手台积电的官方宣传中提到：相较于 N5 制程技术，N3 制程技术的逻辑密度将增加约 70%，在相同功耗下频率提升 10-15%、或者相同频率下功耗降低 25-30%。据此计算出台积电 3nm 工艺 ( N3 ) 晶体管密度大约为 294.3MTr/mm2。

从晶体管密度的角度来看，台积电 5nm 工艺明显强于三星第一代 3nm 工艺 ( GAE ) ，第二代 3nm 工艺 ( GAP ) 才真正意义上超越台积电 5nm 工艺。但台积电计划在下半年量产的 3nm 工艺 ( N3 ) ，又在晶体管密度上大幅超过三星第二代 3nm 工艺。

编辑点评：对于半导体芯片来说，晶体管密度是衡量性能的重要指标，但并非全部。事实上，从传统的 MOS 晶体管到 FinFET 晶体管、再到最新的 GAA 架构，除了提升晶体管密度外，降低内部漏电率、提升处理器运行频率同样重要。

作为全新的晶体管结构，GAA 可带来性能、功耗方面的优势，但使用新结构会在一定程度上影响到部分工艺参数。三星第一代 3nm 工艺 ( 3GAE ) 晶体管密度较低，但在 PPA ( Performance 性能、Power 功耗、Area 尺寸 ) 方面应该可以超过台积电 5nm 工艺。第二代 3nm 工艺 ( GAP ) 的参数会比第一代更好，至少不会出现提升不明显的问题。

对于台积电来说，他们的第一代 3nm 工艺 ( N3 ) 继续沿用 FinFET 结构，虽然在规格参数上更好，但随着 FinFET 工艺逐渐走到极限，转向 GAA 结构也只是时间问题。当台积电转向 GAA 结构式，同样需要面对三星 3nm 的问题，届时台积电很可能推出一个晶体管密度稍低的过渡工艺版本，以满足市场需求。