近期，有媒體報道稱，臺積電最新 3nm 工藝陷入瓶頸，投產遭遇困難，可能無法如期進入大規模量產階段。隨著摩爾定律的不斷延伸，芯片巨頭們頻頻在先進工藝上“翻車”，英特爾從10nm開始頻頻遭遇“難產”，三星5nm芯片也被連續傳出良品率低下的消息。而如今，芯片代工界的“風向標”臺積電也被傳出在3nm工藝遇阻，先進工藝的開發究竟難在何處？

　　受臺積電3nm“難產”影響，蘋果新機或將轉向4nm

　　據了解，蘋果作為臺積電3nm最大的客戶所受影響最為嚴重。預計蘋果明年的新機 iPhone 14 所搭載的 A16 芯片，恐無法使用 3nm 工藝，可能會轉向 4nm 工藝。

　　盡管近期臺積電已針對網上傳言做出回應，即3nm制程按照計劃進行，不評論客戶或市場傳聞，但對于3nm人們依舊疑慮重重。這是由于，此前臺積電曾表示3nm將于今年試生產并于明年量產，然而目前還沒有聽聞任何關于臺積電3nm投產的消息。

　　此外，就算此次臺積電3nm成功量產，初期的產能估計不高，不敢保證能滿足蘋果的訂單需求。此前有媒體報道稱，英特爾是臺積電3nm工藝的最大客戶，會占據絕大部分的產能。而蘋果 A 系列芯片的訂單量又非常龐大，今年A15就已超過1億枚，可見，臺積電3nm的訂單恐怕很難同時滿足雙方的需求。

　　先進工藝研發難于上青天

　　先進工藝研發難于上青天，而先進工藝研發難，究竟難在何處？

　　首先，芯片制程的不斷演進，最直觀的變化便是芯片上集成的晶體管數目獲得了顯著提升，從而芯片良率問題越來越難以得到保障。

　　以華為麒麟9000為例，其5nm芯片的晶體管數目比上一代采用7nm工藝制程的麒麟990（5G版）足足多出50億個，總數目提高到了153億之多。而晶體管數目越多，芯片相應的運算和存儲能力也就越強，進而使得芯片在程序運行加載速度，數據處理性能等方面都獲得較為顯著的提升。

　　然而，隨著芯片中的晶體管數量的提升，密度也越來越高，復旦大學微電子學院副院長周鵬介紹，晶體管微縮進入亞5納米后遭遇的短溝道和泄露等挑戰越發嚴峻，一旦溝道厚度小于4納米，材料晶格缺陷造成的散射會使載流子遷移率發生嚴重退化，妨礙摩爾定律推進。

　　因此，進入先進制程后，眾多芯片代工廠商開始面臨晶圓代工良率改善的難題，例如，近日有消息稱，三星代工業務遭遇不順，三星電子華城園區V1廠部分5nmEUV良率甚至低于50%。

　　其次，先進制程芯片的成本給眾多芯片廠商帶來了巨大的壓力，使得越來越多的芯片廠商選擇退出先進制程的市場競爭。市場研究機構International Business Strategies （IBS）數據顯示，28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工藝的成本為0.629億美元，而到了7nm和5nm，芯片的成本大幅增加迅速暴增，5nm將增至4.76億美元。

　　據了解，臺積電在2020年財報中表示，2021年的資本支出將提升至250億美元~280億美元，遠遠超出2020年的172億美元。80%的資本將用于先進制程的研發，包括3nm、5nm和7nm。

　　之所以先進制程芯片的成本不斷增加，不可忽視的是半導體制造設備成本每年增加11%，每顆芯片的設計成本增加24%，其增長率都高于半導體市場7%的增長率。

　　同時，隨著半導體復雜性的增加，對高端人才的需求也不斷增長，這也進一步推高了先進制程芯片的成本。報告中指出，研究人員的有效數，即用半導體研發支出除以高技能研究人員的工資，從1971年到2015年增長了18倍。

　　難，不意味著無法前進

　　今年年初，5nm手機芯片集體“翻車”事件，使得人們對于5nm芯片的良品率低、質量翻車等質疑聲不絕于耳。隨著技術節點的不斷提升，芯片的研發成本和難度都在與日俱增，此次傳聞臺積電3nm工藝陷入瓶頸，使得人們對于即將出爐的3nm芯片也抱有著質疑態度，業界對摩爾定律繼續演進的未來演進路線愈發感覺不清晰。

　　“先進工藝在研發生產過程中，出現一些問題，這是再正常不過的現象，技術的研發就是個不斷試錯的過程，出現問題并不可怕，在技術迭代的過程中及時進行修復即可，而不是因為怕犯錯誤就選擇放棄。”知名專家莫大康說道。

　　事實上，在芯片發展的過程中，對于摩爾定律的質疑聲從未停歇，然而，摩爾定律卻從未走向盡頭，人們對于先進制程的追求仍在繼續，可見，先進制程技術的研發雖然難，但是并不意味著無法前行，各種新興技術如同雨后春筍般逐漸露出水面。

　　周鵬介紹，隨著芯片制程發展至5nm以下，晶體管溝道長度的進一步縮短，晶體管中電荷的量子遂穿效應將變得更加容易，這些不受控制的隧穿電荷將導致晶體管產生較大的漏電流，進而使得芯片的功耗問題將變得更加嚴峻。為了更好的控制芯片功耗，具有更強溝道電流控制能力的GAA結構將受到更多的重視。相較于三面圍柵的FinFET結構，GAA技術的四面環柵結構可以更好地抑制漏電流的形成以及增大驅動電流，進而更有利于實現性能和功耗之間的有效平衡。如今，三星已經先發一步在3nn中采用GAA技術，同時，臺積電也表示將在2nm技術中采用GAA技術，說明GAA技術在5nm之后以及更小的制程中，更受到業界的普遍認可和青睞。

　　此外，為了彌補三維半導體材料缺陷，二維半導體材料開始逐步映入了人們的眼簾。據了解，臺積電利用半金屬鉍（Bi）作為二維材料的接觸電極，在1nm技術中實現關鍵突破，可大幅降低電阻并提高電流。

　　南京大學教授王欣然表示，由于二維半導體材料最為顯著的兩個特點是薄以及能夠垂直堆疊，因此二維半導體未來可能會在水平和垂直兩個維度上延續摩爾定律，未來有助于在更先進的制程技術上實現突破。

　　可見，雖然隨著芯片技術節點的提升，技術難度越來越大，研發成本也越來越高昂，但這并不意味著摩爾定律結束。只是由于技術節點的不斷延伸，研發難度越來越大，出現的問題也難免增多，但新興技術也在不斷發展。然而，在半導體領域當中，任何一種技術的轉換更迭往往都需要經歷多年的試錯和改進，這些新的技術，能否最終實現預期的高性能和低功耗的效果，還需靜待時日。