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2023 年 9 月 13 日，蘋果的秋季新品發布會上，與 iPhone 15 Pro 系列一同登場的，還有全球首款 3nm 芯片 A17 Pro，其依舊出自蘋果的老朋友台積電之手。
在這款芯片發布前，大家都對它寄予了厚望，與 4nm 這樣的小節點相比，3nm 是繼 5nm 後又一次重要的工藝叠代，回顧過往曆史，每次工藝的大升級，都會帶來芯片性能的又一次大幅度提升，而 3nm 本該也是如此。
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但意外偏偏發生了，這顆本應強大的 A17 Pro 芯片提升幅度并沒有大家想象中那麽大，反而 iPhone 15 Pro 的發熱問題，讓蘋果變成了 " 火龍果 "。
那麽，發熱發燙這個鍋，是不是要讓台積電來背呢？
神仙難救的散熱
很快就有人爲台積電撐腰了，天風國際分析師郭明錤今日發文，針對目前蘋果 iPhone 15 Pro 手機過熱問題進行了解讀，并表示 " 與台積電 3nm 制程無關 "。
郭明錤稱，iPhone 15 Pro 系列的過熱問題，與台積電的 3nm 制程無關，主要很可能是爲了讓重量更輕，因此對散熱系統設計作出了妥協，像是散熱面積較小、采用钛合金影響散熱效果等。
當然，這話說得确實挑不出毛病，根據目前的拆解來看，iPhone 15 Pro 依舊采用的雙層主闆，背部是 ROM 芯片，面前的是基帶芯片，都是發熱量較大的幾顆芯片，把它們放到一起，無異于讓 A17 Pro 待在篝火旁邊，負載一大，火勢就會變大，不僅處理器降頻運行，用戶也會很快就會感受到手機發熱。
外加蘋果在這次發布會上吹了很久的钛合金邊框，實際上還變相加劇了 iPhone 散熱差的毛病，钛的導熱系數 λ=15.24W/（m.K），約爲鎳的 1/4，鐵的 1/5，鋁的 1/14，而各種钛合金的導熱系數比純钛的導熱系數還有再下降約 50%，這也就是說 iPhone 15 Pro 雖然輕了，但是散熱反而不如 iPhone 15 的鋁合金邊框和 iPhone 14 Pro 的不鏽鋼邊框。
但是郭明錤這番話也并不全面，根據極客灣的測試，iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Pro Max 的續航時間相較于上一代，反而出現了倒退，下降了幾十分鍾左右，在電池容量微增的基礎上，續航時間反而縮短，除了處理器本身性能調度原因外，問題恐怕還是出在了 A17 Pro 的本身的能效表現上了。
根據 Techinsights 的芯片拆解，與 A16 相比，A17 Pro 每顆性能核心和效率核心的面積減少了 20%，每個 GPU 核心的面積增加了 5%，整體 GPU 核心增加了 20%，且由于工藝制程的進步，A17 Pro 芯片的整體面積略有縮小，但晶體管數量來到了新高，爲 190 億，對比上代的 160 億晶體管，增加了近 20%，能夠完成如此大的升級，台積電 3nm 工藝功不可沒。
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但根據蘋果官方的公告，A17 Pro 的 CPU 整體性能隻是比上一代提升了約 10%，提升幅度達到 20% 的 GPU 又有很大程度上是因爲 5 核變 6 核，隻有 NPU 提升幅度最大，算力從 17TOPS 升級到 35TOPS，不難猜測它的實際規模變大了不少，外加新的 USB 3 控制器的加入，這些就是 A17 Pro 的主要升級點了，并未完成很多人預期裏的大幅度跨越。
當 A17 Pro 褪去了神話光環之際，台積電的 3nm 也備受質疑。
FinFET 氣數已盡
爲什麽在 4nm 還順風順水的台積電，唯獨到了 3nm 時卻翻了車呢？
在 5nm 時，無論是台積電還是三星，都采用了 FinFET（鳍式場效晶體管）的技術來控制流過晶體管的電流，這種技術能從 " 三面 " 來控制電子的通過（如下圖），若電子沒有被好好控制而亂跑，就會造成漏電，繼而使手機的溫度升高。
爲選擇更好地控制電流，兩家半導體巨頭都發展出從 " 四面 " 來控制電子通過的技術，稱作 GAA（Gate-All-Around），進一步防止漏電發生。但在 3nm 這一節點，台積電選擇繼續使用 FinFET 工藝，直到 2 納米才轉換成 GAA，三星則搶先在 3 納米時導入 GAA，雖然目前還未大規模量産，但有望提供比 FinFET 更好的功耗與密度。
2011 年，英特爾首度在 Ivy Bridge 微架構處理器上應用 22nm FinFET 技術，2014 年，台積電和三星首度在 16/14nm 工藝裏導入 FinFET 工藝，在随後的幾年時間當中，FinFET 成爲了衆多晶圓廠熱捧的技術，傳統平面工藝無法滿足先進制程的需求，摩爾定律再一次得到延續。
但沒過幾年，到了 7nm 制程以下，靜态漏電的問題越來越大，原本制程演進的功耗和性能紅利逐漸消失，FinFET 無法滿足 3nm 及更先進制程的需求已成爲了大家的共識，何時導入 GAA 就成爲很多人關心的重點，英特爾和台積電選擇在 3nm 上繼續沿用 FinFET，而處于競争劣勢的三星下定決心，在 3nm 就引入 GAA 技術，力圖争取到更多客戶。
在 2020 年 8 月的台積電技術研讨會上，台積電表示，它已對其 FinFET 技術進行了重大更新，N3 即 3nm 會使用 FinFET 的擴展和改進版本，性能增益高達 50%，功耗降低高達 30%，密度增益比 N5 提高 1.7 倍，不過這裏需要注意的是，這部分對比僅僅是初代 N3 與 N5 的對比，在 N5 經過多輪叠代升級到最新的 N4 之後，實際提升并沒有研讨會上公布的那麽美妙。
回過頭再來看 GAA，台積電将其稱爲 nanosheet FET，Intel 稱其爲 RibbonFET，這些技術本質都是一樣的，就是把 FinFET 的 fin 轉 90°，然後把多個 fin 橫向疊起來，這些 fin 都穿過 gate ——或者說被 gate 完全環抱，所以叫做 gate all around；另外每個翻轉過的 fin 都像是一片薄片（sheet），它們都是 channel，因此也被稱爲 nanosheet FET。
從結構上來看，GAAFET 電晶體的 gate 與 channel 的接觸面積變大了，且每一面均有接觸，也就能夠實現相比 FinFET 更好的開關控制。而且對于 FinFET 而言，fin 的寬度是個定值；但對 GAAFET 而言，sheet 本身的寬度與有效通道寬度是靈活可變的。更寬的 sheet 自然能夠達成更高的驅動電流和性能，更窄的 sheet 則占用更小的面積。
台積電沒在 3nm 用 GAA 的原因并不難理解，成本和技術。成本是新工廠新設施吃掉的資本投入，而技術呢，例如矽基通道中較低的空穴遷移率（hole mobility），導緻 pFET 性能表現不佳。IBM 在之前的 IEDM 上表示，這一問題的解決方法在于 pFET 可應用壓縮應力的鍺化矽（SiGe）通道材料："pFET 鍺化矽通道能夠實現 40% 的遷移率提升，相較矽基通道有 10% 的性能優勢，而且有更低的阈值電壓（Vt），負偏壓溫度不穩定性（NBTI）表現也有提升。"
當然 GAA 的好處并不明顯可能也是台積電的顧慮之一，三星此前談到了 3nm GAA 制程，其比 4nm FinFET 在頻率和功耗方面的優勢，如下圖所示，但圖中并沒有提供絕對值和相對值，其隻是籠統地說，3nm GAA 與 4nm FinFET 電晶體相比，在相同的有效通道寬度（Weff，fin/sheet 的寬度 × fin/sheet 的個數）下，3nm GAA 能夠達成更高的頻率；與此同時達成更低的功耗。
種種原因讓台積電打定主意，在 2nm 才會使用 GAA，3nm 成爲了最後一代 FinFET，這也爲 A17 Pro 的翻車埋下了伏筆。
更要命的當然還是良率問題，根據 Hi Investment & Securities 的數據，三星的 3 nm 良率估計超過 60%，相比之下，台積電的 3 nm 良率約爲 55%，新技術的良率幾乎與舊技術良率持平，讓人不由想起了幾個月前曝光的蘋果與台積電之間的 " 甜心交易 "：蘋果向台積電下巨額 3nm 芯片訂單，但是要求不合格芯片成本均由台積電自己承擔，蘋果隻需要爲良品芯片付費，有媒體表示，這樣下來，蘋果每年可節省數十億美元。
如果良率足夠高，蘋果也沒必要專程與台積電達成這項交易了，而台積電自 2022 年量産 3nm 至今，良率仍然沒有到達蘋果的底線，如今在能耗表現上也不理想，接下來能否說服更多客戶接受這樣一個價格再次上漲的工藝，或許才是台積電在 2024 年需要解決的大問題。
3nm 誰領風騷？
目前，台積電爲蘋果代工的依舊是 N3B 即第一代 3nm 工藝，該工藝的好處是晶體管密度大幅增加，即 A17 Pro 實現的 190 億晶體管，而明年登場的 N3E，在晶體管密度上表現會稍遜一籌，但功耗控制方面更加理想，包括蘋果在内的多家廠商都有意采用這項工藝，如果屆時台積電能大幅提升良率，相信上門的 Fabless 廠商依舊會絡繹不絕。
但三星早已拿着 GAA 的 3nm 虎視眈眈，一旦台積電犯下錯誤，原本屬于它的訂單就有可能流向老對手，而這樣的局面早在 16nm 和 7nm 時就上演過，如今 3nm 懸而未決，未嘗沒有再發生一次的可能性。
3nm，是台積電亟需跨過的一道小坎。
參考文獻
1. TSMC ’ s 3-nm Process Under Scrutiny Due to iPhone 15 Pro Overheating Issues —— businesskorea
2. iPhone15 Pro 的 A17 Pro 芯片照片，與 A15/A16 配置對比—— iphone-mania
3. 跟三星不同調！台積電 3 納米架構沿用 FinFET，首席科學家黃漢森揭背後決策—— bnext
本文來自微信公衆号：半導體行業觀察 （ID：icbank），作者：邵逸琦
