台积电发布2nm：台积电为什么放弃3nm而直奔2nm

台积电发布2nm：台积电为什么放弃3nm而直奔2nmGPU采用5个内核，倒是提升了50%的内存带宽，但这也怀疑是采用新的LPDDR5导致；晶体管数量仅仅从150亿增加到160亿，仅提高了不到7%；第二种是台积电3纳米工艺过于昂贵，包括苹果也这么认为，导致基本没有客户，因此台积电内部已经放弃3nm工艺，将重心转移至成本更低的N3E工艺，因此，苹果A16芯片不得不采用过渡性质的4纳米工艺。此前，台积电表示，N3E工艺其实就是 N3 Enhanced 增强版，这个工艺会进一步提升，相比于之前N5，功耗降34%，性能提升18%，晶体管密度提升60%。我们知道，苹果刚刚发布的iPhone14 Pro系列采用A16芯片，其性能相比上一代的A15提升很有限：

苹果iPhone14已经发布，其中的iPhone14 Pro系列采用的A16芯片，其实最初是计划采用台积电的3nm先进工艺，但是后来退而求次仅仅使用4nm。

为什么？

原来业界有两种传言，

第一种是台积电3纳米工艺遇到了一些研发方面的问题，但这个问题后来被台积电否定。

第二种是台积电3纳米工艺过于昂贵，包括苹果也这么认为，导致基本没有客户，因此台积电内部已经放弃3nm工艺，将重心转移至成本更低的N3E工艺，因此，苹果A16芯片不得不采用过渡性质的4纳米工艺。

此前，台积电表示，N3E工艺其实就是 N3 Enhanced 增强版，这个工艺会进一步提升，相比于之前N5，功耗降34%，性能提升18%，晶体管密度提升60%。

我们知道，苹果刚刚发布的iPhone14 Pro系列采用A16芯片，其性能相比上一代的A15提升很有限：

晶体管数量仅仅从150亿增加到160亿，仅提高了不到7%；

GPU采用5个内核，倒是提升了50%的内存带宽，但这也怀疑是采用新的LPDDR5导致；

A15的Geekbench 5单核性能跑分约为1720分，据推测，A16估计在1835分，性能提升实际上不到7%，而不一定是宣传的17%。

因此，苹果的A16芯片比上一代A15的性能实际上估计只提升了7%左右，而非宣传所说的18.8%。

为什么苹果在A16芯片的工艺上退而其次选择4纳米呢？

难道真是价格的原因吗？

其实未必。

最近，康纳尔大学的James Hwang教授研究团队做了一个微波炉试验，或许给出了答案。

他们对家用微波炉进行了改进，用升级的微波方法对芯片进行加工处理，试验后称这有可能使台积电和三星等领先制造商的芯片缩小到2纳米。

James Hwang对微波炉进行了改造，以选择性地控制驻波发生的位置。这种精度允许掺杂剂的适当激活，而不会过度加热或损坏硅晶体。

那为什么微波炉能够改进芯片的工艺制程呢？

关键点在于芯片内部的电流传导能力。

芯片上会有很多个晶体管，在晶体管的内部，电流会从起始端流向终端。

在这个过程中，电流会经过一个闸门，也就是栅极，而栅极的宽度正是平时所说的芯片尺寸，即几纳米工艺。

但随着制程技术的发展，栅极的宽度越来越小，电流的起始端和终端之间的距离也越来越近。

这就会导致电流两极的电场对栅极产生干扰，进而使得栅极对电流的控制能力大大下降，也就是出现短沟道效应。

而解决短沟道效应很大程度上就是在芯片料和工艺上下功夫，其中的一个办法就是提高器件沟道掺杂浓度。

具体来说，就是通过在芯片材料中掺杂大量的其他原子，然后对其进行退火来激活掺杂的原子。

比如说，将磷原子掺杂至硅中，然后对这个混合物进行加热退火，提高磷原子的平衡浓度，也就是说激活磷原子在硅中的活性，进而提高其电流传导能力。

但提高掺杂浓度并不是一件易事。

以往，台积电等芯片代工厂商是依靠提高平衡浓度的加热退火方法，但是目前已经达到了极限，若要再提高，可能会导致硅晶体膨胀。

传统的方法已经行不通了。

康奈尔大学James Hwang教授研究团队就提出了一种新的提高磷的平衡浓度的方法：微波技术。

在此之前，台积电就已经做出过微波可以激活多余的掺杂物的推测。

但微波有一个很大的弱点，就是驻波的存在，它不传导能量，会阻碍材料中掺杂物的持续激活。

因此，只要解决“驻波”这个问题，一切就都迎刃而解了。

于是，James Hwang教授等对微波炉进行了改进，使微波炉在加热过程中产生的驻波能够被有效控制。

这样就能使得芯片材料中所掺杂的原子能够被适当激活，并且不会出现过度加热损坏晶体的状况。

除此之外，使用微波技术提高掺杂浓度，可能也会改变芯片中使用的晶体管的几何形状。

鳍式场效应晶体管结构已经存在20多年了，而微波退火使得一种新的晶体管结构成为可能，在这种结构中，晶体管作为纳米片水平叠加，可以进一步增加晶体管的密度和控制。

James Hwang认为，这一技术可能在2025年投入芯片的制造中。

目前相关研究成果已发表在由美国物理联合会（AIP）出版《应用物理快报》上。

《应用物理快报》是应用物理领域国际上最有影响的杂志之一，而James Hwang教授的研究团队也得到了台积电和中国台湾科技部门支持。

因此，

台积电放弃3纳米，专攻2纳米工艺，或许不是因为3纳米不好，也不是因为造价太贵，客户太少，而是希望在芯片代工行业的工艺之争中再次一骑绝尘。