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TechWeb/薛定谔的咸鱼

最近几天，三星电子宣布，基于3 nm gate—all—around gate 工艺节点的芯片已经开始初步量产另一方面，TSMC在3nm的正式生产时间预计在2022年下半年三星在3nm的工艺节点上似乎已经超越了TSMC，那么三星的3nm技术真的超越了TSMC吗

工艺名称只是一个名称。

在某些人眼里，半导体技术名义上的数字越小，技术越好因此，他们认为三星首款3nm工艺在半导体制造技术上超越了TSMC，但这种观点其实并不正确

首先，半导体技术名义上的数字越小，晶体管尺寸就越小在芯片面积相同的情况下，晶体管尺寸越小，意味着芯片中可以插入更多的晶体管晶体管越多，芯片能拥有的功能就越多，性能就越强

这里可能有人会误解，如果按照这个逻辑，就是流程名称中的数字越小，流程越好可是，这里有一个特例最近几年来，各晶圆厂对工艺的命名各吹各的喇叭，各唱各的调，并没有统一的行业标准

我们以手机命名为例:

苹果手机的命名方式是代代+1比如苹果2021年发布iPhone13，那么下一代iPhone很可能会叫iPhone14，下一代就是iPhone15

华为P系列手机的命名方式是+10逐代，比如2018年发布的华为P20，2019年发布的华为P30，2020年发布的华为p40，后来的华为p50。

总的来说，相比老款手机，新款手机肯定会提供更多的功能和更强大的性能，所以对于iPhone系列手机来说，可以这样考虑:性能方面iPhone 15 > iPhone 14 > iPhone 13按照一般经验，华为手机也可以认为p30比p20好

这个时候，我们是否可以根据20 > 13得出2018年发布的华为P20性能优于iPhone13的结论这样的结论显然是荒谬的由于手机厂商的命名方式不同，按照手机名来比较不同品牌的手机是没有意义的

对于半导体行业来说，也有类似的问题由于工艺的命名没有统一的行业标准，往往会给一些外人带来误解比如三星发布了3nm工艺，说3nm工艺在很多方面都比5nm工艺强TSMC量产5nm，所以很多人误会三星已经超过TSMC

其实三星想说的是，三星的3nm工艺在很多方面都强于三星的5nm工艺至于它是否比TSMC的5纳米工艺更强，他没有说

晶体管密度和工艺命名注水

对于了解半导体行业的人来说，摩尔定律应该不陌生摩尔定律是英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验他发现芯片上的晶体管数量每18—24个月翻一番

如果按照摩尔定律来命名工艺，那么每一种新工艺的晶体管密度都比旧工艺的晶体管密度增加一倍比如10nm工艺的晶体管密度应该是14nm工艺的两倍，7nm工艺的应该是10nm工艺的两倍

这种命名方式在22nm之前仍然有效，但最近几年来晶体管密度翻倍变得非常困难，因此各家开始以自己的方式命名半导体技术也就是说，如果增加晶体管密度，可以命名为下一代半导体技术

例如，三星在描述其第一代3nm工艺时，称与5nm工艺相比，第一代3nm工艺可以降低45%的功耗，提高23%的性能，减少16%的芯片面积仅16%的芯片面积缩减，显然不是一个晶体管密度翻倍的数据

这样升级可以用下一代工艺命名的方法，使得不同厂家之间同名的工艺差别很大。

三星和TSMC

由于晶体管密度在某种程度上与工艺名称有关，我们可以依靠关键参数晶体管密度对不同厂商的工艺进行非常粗略的比较。

根据ScottenJones和DavidSchor的数据，我们可以知道三星5nm工艺的晶体管密度约为126.5，TSMC 5nm工艺的晶体管密度约为173.1。

在三星的官方宣传中，提到与5nm工艺相比，第一代3nm工艺可降低功耗45%，提升性能23%，减少芯片面积16%，第二代3 nm工艺功耗降低50%，性能提升30%，芯片面积减少35%据此我们可以计算出三星第一代3nm工艺的晶体管密度约为150.6，三星第二代3nm工艺的晶体管密度约为194.6

在TSMC的官方宣传中，提到与N5工艺技术相比，N3工艺技术的逻辑密度会提高70%左右，相同功耗下速度会提高10—15%，或者相同速度下功耗会降低25—30%据此，我们可以计算出TSMC 3nm工艺的晶体管密度约为294.3

综上所述，单从晶体管密度来看，TSMC 5nm工艺明显强于三星第一代3nm工艺，而三星第二代3nm工艺才开始真正超越TSMC 5nm工艺TSMC预计，今年生产的3纳米工艺的晶体管密度将大大超过三星第二代3纳米工艺

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1.虽然三星声称基于3纳米技术的芯片已经开始初步生产，但并未公布首批3纳米芯片的客户名单如果这次出货的芯片采用三星第一代3nm工艺，那么三星在工艺进度上其实不如TSMC毕竟TSMC晶体管密度更高的5nm工艺已经出货，也有苹果，AMD等大客户的支持

2.三星的3nm采用GAA结构，TSMC的3nm采用FinFET新结构通常可以在性能和功耗方面带来优势，但首次使用新结构的工艺在某些参数方面表现不佳对于三星来说，第一代3nm工艺的晶体管密度较低，但应该会超过TSMC在PPA的5nm工艺这些方面将通过第二代3nm工艺得到改善

对于TSMC来说，虽然更熟悉的FinFET结构不必承受这些问题，但FinFET结构在晶体管密度方面正走向极限如果我们坚持FinFET结构，我们走得越远，R&D工艺就越困难如果TSMC希望维持目前的晶体管密度设计，很可能会因研发困难而推迟，或者推出晶体管密度略低的工艺版本

3.三星能否超越TSMC，还是要看大客户的情况如果说三星第二代3nm工艺是在TSMC 3nm工艺量产之前被大客户使用的话，那么三星真的超越了TSMC