" 芯事重重 " 是騰訊科技半導體産業研究策劃，本期聚焦蘋果 A17 Pro 芯片獨占台積電 3nm 工藝産能背後的原因分析。
文 / 汪波 《芯片簡史》作者、資深芯片研究專家，本文獨家首發騰訊新聞，未經授權請勿轉載。
iPhone 15 和 iPhone 15 Pro 系列正式亮相，" 超大杯 " 的核心芯片 A17 Pro 成爲今年的亮點之一。
A17 Pro 采用了台積電最新的 3nm 工藝（N3）制造，晶體管數量達到 190 億，這是台積電 3nm 工藝首次應用在頂尖芯片上，而 3nm 工藝将比 5nm 工藝的晶體管密度多 70%、同等功耗下速度可提升 15%，或者同等速度下功耗降低 30%。
根據台積電的資料，其 3nm 節點可以分爲 N3B、N3E、N3P、N3X 等，這裏的 N3B 也就是 N3，而之所以做了這麽多拆分，是因爲台積電在不同的技術指标上進行了對應的優化。
圖爲台積電工藝節點路線圖
盡管 A17 Pro 首發了 N3 工藝，但是它的誕生并非一帆風順，首先是延期。有消息稱蘋果原計劃是在 A16 上導入這一節點，換句話說 N3 首發整整晚了一年。另外，一度有消息稱蘋果一度計劃放棄 N3，理由是其能效不達标，而台積電也有意放棄，猜測的理由是缺少核心客戶，而事實也是如此，包括像 AMD、英偉達、聯發科這些企業，也确實都轉向了 N3E。
更爲反常的是，就在新 iPhone 發布前，一則台積電和蘋果簽訂的 " 對賭 " 協議将台積電推向了輿論的焦點。
協議規定，未來一年台積電 3nm 将隻爲蘋果專用，如果生産的芯片中有不良的廢片，将不再按業界慣例由客戶（即蘋果）埋單，而是由台積電自己消化。據估計，僅僅這一項就能爲蘋果節省幾十億美元的額外費用。
這次台積電的讓步很不尋常，因爲蘋果将獨占目前最先進的台積電的 3nm 工藝長達一年的時間，這将讓蘋果的産品更有競争力。爲何台積電肯打破慣例爲蘋果做出如此大的讓步呢？
台積電爲蘋果代工生産芯片的曆史可以追溯到 2014 年，蘋果将 iPhone 6 上的 A8 自研芯片交給台積電代工。
彼時，蘋果也在三星代工生産芯片，但因爲雙方的智能手機競争、供應鏈安全等諸多原因，蘋果将越來越多的芯片交給台積電生産。現在，蘋果所有的芯片都由台積電代工，并成爲了台積電最大的客戶。
今年 6 月，蘋果在發布頭顯 Vision Pro 的同時發布了兩款高性能的芯片 M2 max 和 M2 ultra，采用台積電增強型 5nm 工藝制造。而更早的 M1 系列芯片也是由台積電（标準 5nm 工藝）加工。
近 10 年的磨合，從手機擴展到最前沿的 XR 設備，兩家公司已經深度綁定，難以分割。
01 " 廢片 " 與 260 億元的難題
而此次台積電爲蘋果打破慣例的做法，讓業界深感意外。有人說台積電已被蘋果精準 " 拿捏 "：如果不簽這個協議，有可能失去這家占台積電營收 1/4 的大客戶的訂單，沒有哪個客戶會像蘋果那樣能對頂尖芯片下如此大的訂單。而如果簽了，A17 Pro 芯片将成爲台積電自己手中的 " 燙手山芋 "！
A17 Pro 對比 A16，來源：網絡
接下來我們會重點的講一講爲什麽 A17 Pro 會成爲 " 燙手的山芋 "，台積電又将如何來解決這個問題。
這要回到半導體制造業的一個基本概念：良率，即一整片加工出來的晶圓上能正常工作的芯片的占比。一塊晶圓片上可以同時制造數百顆同樣的裸芯片，之後将晶圓片上的裸芯片切割開來，封裝後安裝到電子産品上。
根據業界慣例，晶圓上的不良芯片将由客戶買單，制造廠并不承擔這筆費用。但客戶也并非完全承擔損失，因爲有些不良芯片并非完全壞掉了，而隻是無法發揮 100% 的設計性能。隻需降低芯片工作頻率，其中一部分不良芯片還是可以在低端産品上繼續使用的，這樣客戶也會挽回一部分損失。
一般來說，半導體制造業在加工成熟工藝時，良率能達到 99% 以上。業内有消息稱，這次台積電爲蘋果 iPhone15 制造的 A17 Pro 芯片良率很低，僅達到了 70-80%，換句話說，台積電要爲20%-30%的不良芯片買單，我們可以大概算一筆賬，看看台積電要花費多少冤枉錢。
每片 3nm 晶圓大約 3 萬美元，不良率按較低的 20% 計算，每月加工 5 萬片 12 寸晶圓，那麽 12 個月台積電要爲此額外支出費用就是 36 億美元 ( 約合人民币 260 億元 ) ，這筆錢占了 2022 年台積電利潤 341 億美元的 10.6%。
如果上述計算符合實際情況，那麽如果要扭轉這種 " 巨虧 " 的局面，台積電唯一能改變的就是良率。
02 良率問題 " 扼殺 " 貝爾實驗室
良率不僅決定台積電這一家企業盈虧，也決定了芯片行業能否按照摩爾定律預測的節奏前進，甚至決定了芯片是否能發明出來。
20 世紀 50 年代，最有可能發明芯片的機構是貝爾實驗室，它勢力雄厚，人才濟濟，更重要的是，它擁有發明芯片技術所需的幾乎全部基礎技術（矽晶體管、光刻、擴散技術、矽晶圓拉伸與提純等），但卻完美地錯過了這一載入史冊的重大發明，而将芯片的發明拱手讓給了當時兩家名不見經傳的小公司：德州儀器和仙童半導體。
何以至此？從中作梗的，正是良率。
貝爾實驗室當時的研發主管莫頓認爲，如果将衆多晶體管集成起來，那麽整體的良率将是每個晶體管良率的乘積。假設一個晶體管的良率是 99%，一顆芯片上有 100 個晶體管，芯片的整體良率将是 100 個 99% 的乘積，即 36%。
如果芯片上有 500 個晶體管，良率将降低到 7/1000。芯片上有 1000 個晶體管呢？良率将再次降低到 4/100000，幾乎等于 0。這意味着，芯片規模越大，報廢的可能性也越大，就越虧本。
莫頓的同事坦嫩鮑姆也舉了一個形象的例子，" 你向芯片籃子裏放的雞蛋越多，就越有可能碰到一顆壞的蛋。" 後來當大規模集成電路（Large Scale Integrated-circuits）興起時，莫頓嘲笑其爲 " 大規模白癡 "（Large Scale Idiot）。
莫頓的分析看似嚴密，但真的如此嗎？
早期影響芯片良率的主要因素之一是空氣中的灰塵。當微米尺寸的灰塵落到晶圓表面，就會讓當時微米級别的晶體管發生故障。莫頓認爲灰塵是平均分布的，但實際上并非如此。可能有些區域沒有灰塵，那裏的良率可以達到 100%。如果把灰塵顆粒比作射出的箭，将矽晶圓比作靶子，晶體管比作靶心，尺寸越小，被灰塵 " 擊中 " 的概率越低。由于灰塵可能較大，一次損壞多個晶體管，但它們同屬于一顆裸芯片，所以隻有這一顆芯片被損壞，其他位置的芯片還是好的。這樣芯片的良率不是像莫頓估計的那樣接近于零。
03 保護脆弱的矽晶圓
與莫頓的嚴密思維相反，那些 " 不信邪 " 的小公司德州儀器和仙童半導體等，不斷地探索提高芯片良率的方法。
早先，制造廠将芯片制造車間改成成無塵的超淨間，通過空氣過濾系統使得超淨間比醫院的手術室還要幹淨 1000 倍以上。而且，每個進入超淨間的人都要穿上嚴密的防護服（俗稱兔子服），從頭到腳遮擋起來，避免毛發和汗液影響那些脆弱的矽晶圓。
還遠遠不夠，當前先進工藝車間，幾乎已經看不到操作員，隻有機器人和機械臂在全自動地完成各項操作。
台積電超淨間的工程師，數據顯示碩士畢業生新入職年薪可達到 45.5 萬元。
對良率最有發言權的莫過于台積電的創始人張忠謀。張忠謀早年加入德州儀器時，負責半導體制造業務，爲 IBM 代工的電晶體，當時的良率隻有 2%-3%，而在張忠謀的操刀之下，這一良率提升至 20% 以上，超過客戶 IBM 自有産線。後來張忠謀回憶，自己 " 立了大功，被公司送到斯坦福念博士 "，解決良率問題，應是其在德州儀器 " 大功 " 之一。
良率還關乎摩爾定律前進的節奏。如果電路設計師将晶體管尺寸設計得比摩爾定律預計得還要小，那麽晶圓廠加工困難，就會讓良率遭受打擊，讓成本飙升，蘋果的 A17 Pro，應該屬于這一類問題。
所以芯片更新換代并不是越快越好，而是要符合成本最低的原則。可以這樣理解，良率決定了芯片的成本，而成本下降的速度決定了芯片更新換代的快慢，即摩爾定律的節奏。
當前，一整塊制成的晶圓已經高達數萬美元，良率稍有降低，就會急劇提升成本，所以業界對良率的追求變得更加急迫。
提高良率的一個新趨勢是采用更小的裸芯片。還是射箭的例子，如果将中 10 環靶心比作裸芯片，同樣的，裸芯片面積越小，被損害的概率也越小，小芯片技術（chiplet）應運而生——将一大塊裸芯片拆分成許多小芯片，讓每顆小芯片的面積更小，良率提高。然後再将許多小芯片在矽晶圓以及基闆上封裝在一起，做出一塊更大的芯片。
今年 6 月蘋果發布的 M2 Ultra 就是用兩塊較小的 M2 Max 芯片拼在一起，确切地說是用 2.5D 封裝技術實現的，所以也就有了 " 膠水芯片 " 的外号。
04 台積電的生死之戰
2 個月前，有消息稱台積電 3nm 工藝的良率僅爲 55%，最新消息是 70-80%，這是一個不錯的進步。如果在未來的幾個月内，台積電能繼續将良率提高到 90% 甚至 95% 以上，廢片帶來的成本問題就會大幅降低。
假設 3nm 的良率能提高到 95%，那麽台積電需要額外支付的成本将從 36 億美元降低到 9 億美元。如果良率達到 98%，那麽台積電的額外成本将被進一步壓縮到 3.6 億美元。
那樣的話，結論就會反轉，台積電由于良率提高而節省下來的 30 多億美元成本将不再是軟肋，而是铠甲。
改善良率壓縮成本提高利潤率符合正常的商業邏輯，但不能完全解釋台積電要替客戶埋單廢片的事情，所以也可以從整個行業的視角來台電的這一反常舉動。
一個信号是，三星于去年 6 月份正式宣布其已開始大規模生産基于 3nm GAA 制程工藝技術的芯片，作爲對比，台積電的 3nm，晚了一年，且用的還是 FinFET 工藝。
在不考慮三星良率的情況下，擺在蘋果等一衆客戶面前的 3nm 制造商的選擇，有兩個，三星和台積電，而台積電在先進工藝的代工上已經有了一家獨大的勢頭。此前，6 月份，有傳言稱台積電已經和包括蘋果、英偉達這些核心客戶溝通，2024 年開始漲價 3%-6% 不等，盡管台積電對此表示不予置評。
當初蘋果基于供應鏈安全，選擇台積電而放棄三星的動作，在時空變換之後，慢慢顯現出對調之勢，這個時候如果三星能夠拿出良率、産能都有保證的 3nm 解決方案，" 去台積電化 " 就将成爲定局。所以，當時行業裏也有一個觀點，台積電和三星的 3nm 之争，說的是 " 既分高下，也決生死 "，這個是值得關注的。
所以，對于台積電來說，在 3nm 上守住蘋果這個客戶，也就等于守住了三星。
另外，也不要忘了英特爾，它手中的 Intel 3 工藝也是 2024 年量産，号稱可以超過台積電的 3nm，而它當年也被台積電 " 橫刀奪愛 "。
