與兩年前相比，三星3nm今年的關注度明顯降低，有其自身原因，更多的可能還是技術市場的風云變化。

最近，臺積電終于公開承認了自己的3nm計劃，并表示四月份將會公布具體技術細節。終于，半導體制造業這場決定未來制程走向的關鍵一役——3nm技術之戰還是來了。

迄今為止，在3nm制程上，業內只有兩家公司具有此競爭能力，一家是臺積電，另一家是三星。

其實在臺積電之前，三星早已公布了其3nm工藝細節，也一直在3nm上呈現領跑態勢。最近它剛剛宣布自己已經成功研制出首款3nm工藝芯片的消息，采用的技術正是此前盛傳的GAAFET技術，并表示其在技術完成度上獲得了遠超預期的表現。

可以說，從公布的消息來看，相較于臺積電，三星要靠譜的多。但有些出乎意料的是，三星方面的消息傳出來后，反響平平，似乎也沒有受到太多關注。

三星3nm計劃到底存在什么問題？

三星加碼代工，力推3nm量產

首先，我們來看它拿下3nm有多厲害？

如果三星能夠順利搶先將該工藝推向量產，延續摩爾定律不說，從現有的技術格局來看，它完全可以憑此一舉PK掉基于FinFET的3nm工藝，翻身搶斷臺積電現有的尖端工藝市場份額，并有機會成長為全球第一大晶圓代工廠。

因此，對三星和臺積電來說，3nm之爭更像是一場與時間的賽跑，看的是誰先量產。而三星可以說是已經占了先機。

早在2018年，三星就公布了自己在3nm制程技術上的規劃，并表示將會搶占未來高性能計算和物聯網市場。

當時三星給出了清晰的技術規劃，并且三星晶圓代工業務市場副總Ryan Sanghyun Lee也公開表示，三星從2002年以來一直在開發GAA技術。后來在去年年中舉辦的“2019三星代工論壇”上，三星電子更是直接將3nm工程設計套件發送給了現場的半導體設計企業。

圖 ｜ 三星晶圓代工業務市場副總Ryan Sanghyun Lee

可以說，正是因為對3nm保持著長期而巨大的投入，三星才能將成果推進到今天的量產前夜。而正如當時做成存儲的決心和毅力，三星在代工業務上的堅持其實有些超乎意料。

在2015－2016年期間，三星曾一度奪走了臺積電不少大客戶的訂單，實現了收入的大幅度增長。后來盡管因為智能手機衰退和臺積電先進制程而導致銷售額下降，跌落到了全球第四的排名。但是三星仍然沒有絲毫放棄的勢頭，2018年初，在韓國首爾舉辦的三星晶圓代工論壇上，三星方面就對外表示，目標就是先超聯電和格芯，再超臺積電。

從最近2019年第四季度統計的排名我們可以看出來，三星延續了前三季度的優勢，以市占率17．8％穩穩當當地占據了僅次于臺積電的第二位，而排在第三的格芯僅有8％。

有分析表示，這些年為了與臺積電在爭奪先進制程工藝市場話語權方面，三星下足了功夫——投資、獨立代工業務、挖人等。而取得現在的成果，三星代工技術能力和客戶認可度的提升功不可沒。

相比較來看，雖然在現有市場臺積電的地位難以撼動，但是在3nm技術上，僅僅有造廠的消息傳出，官方一直沒有對外透露更多，其3nm計劃看起來更“虛無縹緲”。

3nm GAA攻堅戰

因此回到三星3nm不受關注問題上，我們很難不去重新審視一下技術。

三星采用的是3nm GAA。

此前比利時微電子研究中心曾發表研究報告公開表示，環繞式閘極（GAA）電晶體將是未來最有可能突破7 納米技術以下FinFET工藝的“候選人”。

GAA晶體管在通道的所有側面都有一個柵極，用于克服FinFET的物理縮放比例和性能限制，包括電源電壓。與現在的FinFET Tri－Gate三柵極設計相比，GAA技術因為重新設計晶體管底層結構，克服了當前技術的物理、性能極限，增強柵極控制，性能大大提升。

在該技術方向下，主要有納米線、板片狀結構多路橋接鰭片、六角形截面納米線和納米環技術四大主流方向，三星采用的是MBCFET（Multi－Bridge Channel FET），即板片狀結構多路橋接鰭片。

三星認為主流的納米線GAA技術溝道寬度較小，因此往往只能用于低功率設計，并且制造難度比較高，因此沒有采用這種方案。

據三星介紹，它在其PDK設計中提供了四種不同的方案，可以在一顆芯片的不同部分使用，也可以直接用于制造整顆芯片。在性能方面，它與5納米制造工藝相比，3納米GAA技術的邏輯面積效率提高了35％以上，功耗降低了50％，性能提高了約30％，優勢明顯。

其實關于GAA技術的研究，除了三星之外，英特爾、臺積電等廠商雖然沒有明確公布，但是對此也都有研究和積累。不過從目前的消息來看，三星3nm GAA工藝公布的信息最為詳盡。

不同于現有的7nm和5nm工藝，因為3nm節點將采用全新結構的MOS管，對于半導體制程發展來說，它可以說有著里程碑式的意義，非常類似于當時Intel用來推翻IBM領導地位的22nm。

此前，Semiengineering上有文章分析就表示，以目前技術條件來看，2nm可以被看做3nm做了微縮制程（die－shrink）處理。也就是說，3nm以下的制程之戰，3nm是關鍵節點。因此我們也能夠理解，為什么大家認為三星3nm GAA一旦研發出來，它的市場影響力將是空前的。

但是作為行業龍頭，臺積電方面的2nm乃至1nm消息難免會給市場留下更多念想，這也在無形中削弱了3nm GAA的影響力，甚至有人認為3nm將可以繼續采用FinFET，而所謂的關鍵節點將是2nm甚至1nm。

備受爭議的三星與技術

當然不可否認，三星這項計劃自身還存有隱患。

首先，技術是好的，但是如果投入商用，成本是不得不考慮的。嚴格來說，如果成本過高，技術胎死腹中也不是不可能。

根據IBS統計的數據，3nm 器件的研發費用大約需要5億～15億美元；制程的研發費用需要40～50億美元；一個FAB的建設運轉需要150億～200億美元，上不封頂。從研發到商用的費用，包括后期要收回成本的考慮，這對頭部代工廠來說，都是一個“無底洞”，風險極大。

其次，技術市場的動蕩之外，三星晶圓代工廠最近在市場中的受認可度方面還是頗有爭議的。

自從三星拆分開晶圓代工部門后，因計算方式的改變，三星自家的Exynos手機芯片生產也算在晶圓代工營收當中，因此三星代工廠的市占率從個位數大幅增長到十位數。而正是因數據維度有所改變，這讓業內對其業績是否真的增長存疑，因此三星現在占據的第二位是否真的坐穩也成為了大家沒有辦法弄清楚的“糊涂賬”。

十一月份，三星韓國器興（Giheung）廠，因為8英寸晶圓生產線采用了受到污染的設備，導致產品有缺陷。三星的一名高層后來承認，稱損失估計達數十億韓元。

12月31日，韓國華城園區又傳出來停電時間，三星電子部分DRAM和NAND芯片生產線被迫中止，稱要兩三天左右才能完全恢復，損失也是慘重。

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接二連三，三星代工廠屢屢出事，這更是讓其在業內的信譽受到損傷。

同時，目前來說，GAA還不是唯一的技術方向，臺積電提出的先進封裝是推動制程發展的保守做法，而探索硅之外的新材料更是被業內認為是從根本上改變現有制程工藝限制的方向，這其中包括采用InGaAs、鍺納米線等新材料的GAA晶體管。

而臺積電在5nm之后直接透露2nm工藝，更是有可能撼動市場現有普遍認為的3nm關鍵節點的地位。

無疑，這些都讓三星在突破臺積電壟斷之路受阻。

加持新材料，3nm工藝還存在更多想象空間

據市場研究公司IC insights報道，從2017年至今，三星在半導體領域的資本支出估計為658億美元，比英特爾高了約53％，比中國所有半導體公司資本支出總和高出一倍以上。

而在晶圓代工方面，三星最近也宣布，今年第四季度的大部分投資將用于存儲領域的基礎設施中，EUV 7nm產量將繼續增加，加強自身晶圓代工的競爭力。10月中旬的時候，還傳出了三星的一份意向書，表示要向ASML訂購15臺EUV設備，總價值180億元。

三星的決心由此可見。

但是隨著技術的變化和市場的發展，市場中未來制程工藝的變數也越來越大，因此三星3nm GAA也越來越難收到預想的克敵效果。臺積電就曾對外表示，在材料方面，III－V族材料也有可能會代替傳統的硅作為晶體管的通道材料以提升晶體管的速度。因為有研究表明，銦鎵砷（InGaAs），砷化鎵（GaAs）和砷化銦（InAs）與FinFET和GAAFET的集成在更小的節點處表現出優異的性能；而鐵電等介電材料的引入可能會實現超陡的亞閾值坡度以降低晶體管的能耗；鈷也有可能會替代鎢和銅作互聯導線以增強穩定性和減緩信號延遲。

目前，“新材料＋新制程工藝”兩條腿走路有望打破現有的技術瓶頸成為了主流的論調。從公布出來的信息來看，三星3nm GAA僅有制程上的進步，與臺積電現在的布局相比，它缺失了材料方面的積累與探索。因此越遲發布，其先發的優勢效應也有可能越小。

作者：Lynn