半导体作为人类科技进步的技术核心，始终沿着摩尔定律的轨迹不断演进。随着智能手机芯片对小型化、低功耗的极致追求，晶体管微型化的作用被显著放大。台积电凭借晶体管缩小的技术路径，长期保持行业领先地位。从180nm到3nm，台积电用20年时间淘汰了99%的竞争对手。尤其在28nm节点后，凭借FinFET技术的逐步突破，在14nm以下市场基本实现垄断。
摩尔定律的演进规律显示，每18-24个月晶体管数量翻倍即可带来芯片性能翻倍或成本减半。过去十多年间，CPU和GPU性能每两年多提升一倍，晶体管密度三年翻番，能源效率则用了近四年的时间才达到预期。尽管摩尔定律仍在推进，但速度明显放缓。终端市场需求正从智能手机转向人工智能，这一转变带来了新的挑战：高算力AI芯片既需要先进制程，又要求成本平衡。全周围栅极（GAA）技术的出现为制程突破提供了可能，但同时也伴随着制程复杂性和制造成本的急剧增加。芯片制造商在技术创新与成本控制间寻求平衡，使先进封装成为代工厂的重要发展方向。三星和英特尔恰好掌握了这两条技术路径，成为台积电为数不多的竞争对手。
在3nm节点上，三星率先采用GAA技术实现跨越式发展，而台积电仍坚守FinFET路线。英特尔则计划在2nm节点赶超台积电，并计划在先进封装技术上建立优势。那么问题来了，用台积电的方式打败台积电，是否可行？
从3nm开始超车
2nm被视为半导体制程的物理极限，因为当晶体管尺寸缩小到这一程度时，量子效应会显著影响电子行为。全周围栅极（GAA）晶体管通过栅极材料包围源和漏，提供更好的电流控制，有助于减少量子隧道效应，使更小制程的芯片制造成为可能。台积电、三星和英特尔不约而同地展开制程竞速赛，虽然都计划在2022-2023年进入3nm，2025年进入2nm商业化阶段，但细节有所不同。三星率先量产3nm并采用GAA技术，而台积电仍沿用FinFET技术。台积电总裁魏哲家表示，选择沿用FinFET是为了确保技术的实用性和可靠性，帮助客户持续推进产品。但真正原因可能是，尽管三星率先量产3nm，但因5nm节点能耗问题，客户选择有限，只有矿机芯片买家愿意尝试。三星需要在3nm时代寻找技术差异化，拉近与台积电的差距。台积电的保守策略使其获得以静制动的优势，他们倾向于确保新技术成熟可靠后再部署，降低风险并提高产量和质量。例如，三星在2018年开始使用EUV，而台积电直到2019年才跟进。这种谨慎方法有助于台积电保持技术稳定性和可预测性。
3nm尚未带来明显收益
最新财报显示，台积电来自先进制程的收入占比达53%，其中5nm占比30%，7nm占比23%。券商消息透露，台积电3nm已获得全球最大客户A的订单，预计从2023年下半年贡献收益。明眼人可知客户A是苹果，今年6月就有消息称台积电近90%的3nm产能被苹果占据。但苹果要求台积电承担未合格芯片成本，这在半导体行业非常罕见。台积电3nm初期良率约70%，若苹果达成此协议可节省数十亿美元，但也意味着台积电成本压力剧增。
降低制造成本
3nm的性价比问题突出。市场研究机构IBS数据显示，3nm芯片设计费用约5-15亿美元，建厂成本约150-200亿美元，导致3nm工艺报价高达3万美元/12英寸晶圆，几乎是5nm的一倍，7nm的三倍多。高性能计算使芯片设计更加复杂，先进制程投资大幅提升，生产成本和良率问题也随之加剧。综合考虑，3nm的经济性远不如前，因此台积电、英特尔、三星等开始探索其他技术路线，包括Chiplet和3D先进封装。
Chiplet技术将大芯片拆分成多个可重复使用的芯粒，通过先进封装集成成系统芯片。模块化设计可提高研发速度，降低成本，改善良率。The Linley Group研究显示，Chiplet技术可降低大型7nm设计成本高达25%，在5nm及以下情况下节省更多。3D封装则是另一种节省成本的方式。台积电将2.5D和3D封装整合为3DFabric，包括SoIC、InFO和CoWoS技术。InFO技术用于iPhone 7的A10芯片，CoWoS技术用于M1 Ultra和M2 Ultra。台积电将3D封装分为前端和后端：前端封装（SoIC）在晶圆上整合异构小晶片，后端封装（CoWoS和InFO）则完成立体封装。英特尔也推出EMIB、Foveros和Co-EMIB等先进封装技术，认为3D封装能延续摩尔定律，提供散热、功耗、信号传递和互连密度的优化方案。英特尔和台积电在先进封装领域的投资大战持续升温，英特尔资本支出近35亿/47亿美元，台积电资本支出近30亿/40亿美元。
尾声
2017年前，智能手机需求推动芯片性能提升、面积缩小、功耗降低。2017年后，HPC需求明显提升，云计算和AI技术驱动服务器等高性能计算需求，终端市场需求从智能手机转向人工智能。这一转折在财报中尚未显著体现，台积电来自AI芯片的提振有限。目前，英伟达、AMD等厂商首选台积电合作，AMD CEO苏姿丰甚至反问是否相信韩国媒体关于3nm采用三星代工的传言。对于国内而言，由于众所周知的原因，只能在成熟制程市场寻求突破，无论是3/2nm晶体管技术还是先进封装，都缺少推动国产替代的车轮，海思等厂商可能还需要等待一段时间。
