雖然臺積電3nm芯片已經(jīng)量產(chǎn),，但截止昨天,，我們都沒有看到芯片公司發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品。到了今天,，這個局面終于被打破了,。

　　美國芯片公司Marvell表示，公司基于臺積電 3 納米 (3nm) 工藝打造的數(shù)據(jù)中心芯片正式發(fā)布,。據(jù)Marvell介紹,，公司在該節(jié)點中的業(yè)界首創(chuàng)硅構(gòu)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 并行芯片到芯片互連,。

　　按照Marvell所說，SerDes 和并行互連在芯片中充當高速通道,，用于在chiplet內(nèi)部的芯片或硅組件之間交換數(shù)據(jù),。與 2.5D 和 3D 封裝一起,，這些技術(shù)將消除系統(tǒng)級瓶頸，以推進最復雜的半導體設計,。SerDes 還有助于減少引腳,、走線和電路板空間，從而降低成本,。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的機架可能包含數(shù)以萬計的 SerDes 鏈路,。

　　根據(jù)他們提供的數(shù)據(jù)，新的并行芯片到芯片互連可實現(xiàn)高達 240 Tbps 的聚合數(shù)據(jù)傳輸,，比多芯片封裝應用的可用替代方案快 45%,。換句話說，互連傳輸速率相當于每秒下載 10,000 部高清電影,，盡管距離只有幾毫米或更短,。

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

　　3nm,，臺積電的新里程碑

　　據(jù)臺積電介紹，公司的3奈米（N3）制程技術(shù)將是5奈米（N5）制程技術(shù)之后的另一個全世代制程,，在N3制程技術(shù)推出時將會是業(yè)界最先進的制程技術(shù),，具備最佳的PPA及電晶體技術(shù),。相較于N5制程技術(shù),，N3制程技術(shù)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(chǎn)生定義結(jié)果的參數(shù)范圍）相對較窄,，就產(chǎn)量而言可能并不適合所有應用,。而且，隨著制造工藝變得越來越復雜,，它們的尋路,、研究和開發(fā)時間也越來越長，所以我們不再看到臺積電和其他代工廠每兩年出現(xiàn)一個全新的節(jié)點,。對于 N3,，臺積電的新節(jié)點導入周期將延長至 2.5 年左右。這意味著臺積電將需要提供 N3 的增強版本,，以滿足其客戶的需求,，這些客戶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(shù)研討會上，臺積電也討論了四種 N3 衍生制造工藝（總共五個 3 納米級節(jié)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,，并增加了工藝窗口，從而提高了亮了,。但代價是該節(jié)點的邏輯密度略有降低,。與 N5 相比，N3E 的功耗將降低 34%（在相同的速度和復雜度下）或 18% 的性能提升（在相同的功率和復雜度下）,，并將邏輯晶體管密度提高 1.6 倍,。

　　根據(jù)報道，臺積電將在 2024 年左右的某個時候推出 N3P（其制造工藝的性能增強版本）以及 N3S（該節(jié)點的密度增強版本）,。但臺積電目前并未透露這些變體的更多信息,。對于那些無論功耗和成本都需要超高性能的客戶，臺積電將提供N3X,，本質(zhì)上是N4X的思想繼承者,。同樣，臺積電沒有透露有關(guān)該節(jié)點的詳細信息,，只是說它將支持高驅(qū)動電流和電壓,。

　　值得一提的是，臺積電所有這些技術(shù)都將支持 FinFlex,，這是臺積電的一項“秘方”功能,，可大大提高設計靈活性，并允許芯片設計人員精確優(yōu)化性能,、功耗和成本,。簡而言之，F(xiàn)inFlex 允許芯片設計人員精確定制他們的構(gòu)建模塊,，以實現(xiàn)更高的性能,、更高的密度和更低的功耗。

　　在實際應用中,，臺積電的 FinFlex 技術(shù)將允許芯片設計人員在一個塊內(nèi)混合和匹配不同類型的標準單元,，以精確定制性能、功耗和面積,。對于像 CPU 核心這樣的復雜結(jié)構(gòu),，這種優(yōu)化提供了很多機會來提高核心性能,，同時仍然優(yōu)化芯片尺寸。

　　但是,，我們必須強調(diào)的是,，F(xiàn)inFlex 不能替代節(jié)點專業(yè)化（性能、密度,、電壓）,，因為工藝技術(shù)比單一工藝技術(shù)中的庫或晶體管結(jié)構(gòu)有更大的差異，但 FinFlex 看起來是優(yōu)化性能,、功率和成本的好方法臺積電的N3節(jié)點,。最終，這項技術(shù)將使基于 FinFET 的節(jié)點的靈活性更接近于基于納米片/GAAFET 的節(jié)點,，這些節(jié)點將提供可調(diào)節(jié)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

　　其實早在臺積電公布3nm量產(chǎn)之前,，三星早就宣布已經(jīng)實現(xiàn)了3nm工藝的量產(chǎn),。

　　2022年六月，三星宣布已開始了采用環(huán)柵 (GAA) 晶體管架構(gòu)的 3 納米 (nm) 工藝節(jié)點的初始生產(chǎn),。其中用到的多橋通道 FET (MBCFET  ) 是三星首次采用的 GAA 技術(shù),，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(qū)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于高性能、低功耗計算應用,，并計劃擴展到移動處理器,。

　　三星表示，借助公司專有技術(shù)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(shù)相比,，可實現(xiàn)更高的性能和更高的能效,。利用 3nm GAA 技術(shù),，三星將能夠調(diào)整納米片的通道寬度，以優(yōu)化功耗和性能,，以滿足各種客戶需求,。

　　此外，GAA 的設計靈活性非常有利于設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO),，這有助于提高功率,、性能、面積 (PPA) 優(yōu)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,，和臺積電的工藝不一樣，三星3nm采用了GAA晶體管,，這開啟了一個新時代,。

　　自 2019 年他們最初宣布該技術(shù)以來，三星一直致力于 3nm/GAAFET 技術(shù)的研發(fā),。三星特有的 GAA 晶體管技術(shù)是多橋通道 FET (MBCFET),，這是一種基于納米片的實現(xiàn)?；诩{米片的 FET 高度可定制,，納米片的寬度是定義功率和性能特征的關(guān)鍵指標：寬度越大，性能越好（在更高功率下）,。因此,，專注于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被發(fā)布早期,，業(yè)內(nèi)人士一直在詬病其良率，但據(jù)業(yè)內(nèi)人士在今年一月透露,，三星電子公司周一大幅提高了其為無晶圓廠客戶生產(chǎn)的業(yè)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(jié)點的生產(chǎn)良率達到了“完美水平”,，但他沒有進一步詳細說明,。

　　而在此前，臺灣媒體報道稱,，臺積電的3納米工藝生產(chǎn)良率高達85%,，高于三星。但韓國業(yè)內(nèi)消息人士淡化了這份報告,，稱這個數(shù)字似乎被夸大了,。他們表示，考慮到臺積電向蘋果提供業(yè)界最小芯片的量產(chǎn)和交付時間表,，其生產(chǎn)良率最多為50%,。

　　按照媒體所說，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(fā)中,。

　　報告披露,，三星第二代3nm GAA 工藝將會在2024年量產(chǎn)，工藝將加入MBCFET 架構(gòu),，性能也將提升不少,。雖然三星并沒有分享4nm 節(jié)點的統(tǒng)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% 的晶片面積占用,。

　　巨頭會師2納米,，決戰(zhàn)

　　雖然三星和臺積電都在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，蘋果會成為臺積電第一代3nm工藝的唯一客戶,。不過,，這家美國巨頭迄今都沒有公布其3nm產(chǎn)品。

　　由此可見,，第一代3nm不被看好是業(yè)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(jù)報道，英特爾也將在2023年年底推出其 3nm 工藝節(jié)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(shù)提高功率保持能力,。英特爾的競爭對手臺積電將在 2025 年采用其2nm 節(jié)點的 GAA ，在芯片制造商遇到小型化極限時讓前者領先一步,。再加上將于2025 年實現(xiàn) 2 納米原型線的日本新創(chuàng)企業(yè)Rapidus 和三星,。

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

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