蘋果豪賭 3nm 背後

對於蘋果來説，3nm 無疑是他們的頭等大事。

據彭博社早前報道，蘋果一直在新 Mac mini 上測試其新 M3 芯片的基礎版本。現在，彭博社又帶來了有關 M3 Mac 的另一篇報道，但這一次與更強大的 M3 Max 芯片有關。據 Mark Gurman 介紹，該公司一直在為新款高端 MacBook Pro 試驗一款具有多達 40 個 GPU 核心的芯片。

雖然關於 M3 芯片的細節並沒有披露，但彭博社的知情人士透露，一款代號為 J514 的新型筆記本電腦採用 Apple Silicon 芯片，該芯片配備 16 核 CPU 和 40 核 GPU。更具體地説，這款名為 M3 Max 的芯片將擁有 12 個高性能核心，可處理高要求的任務，還有 4 個高效核心，可在用户運行不太密集的應用程序時節省電池電量。與 M2 Max 相比，多了四個 CPU 核心和兩個 GPU 核心。

Gurman 在之前的報告中提到，新的 M3 基礎芯片將配備 8 核 CPU 和 10 核 GPU，與 M2 類似。不過，M3 Pro 預計將擁有 12 核 CPU 和 18 核 GPU，比 M2 Pro 多了兩個 CPU 和 GPU 核心。

據彭博社報道，今年晚些時候發佈的頂級 iPhone 15 Pro 機型還將搭載全新 A17 處理器，該處理器與 M3 芯片有很多共同點，均採用全新 3nm 工藝打造。

綜合過去的相關報道，蘋果在 3nm 上下了很多功夫，但為何他們要這樣做呢？這背後又將發生怎樣的故事？

為什麼非要 3nm？

對於一直以來以引進先進工藝的蘋果而言，公司上一次實現製造工藝的重大飛躍是在 2020 年，當時他們採用了台積電的 5 納米工藝，生產 A14 仿生和 M1 芯片。除此之外，Apple Watch 中的 S6、S7 和 S8，繼續使用 7nm 製造工藝，因為它們基於 A13 Bionic——蘋果為 iPhone 設計的最後一款 7nm 芯片。

蘋果去年在 iPhone 14 Pro 和 iPhone 14 Pro Max 中推出了 A16 Bionic 芯片。蘋果聲稱它是 4nm 芯片，因為它使用台積電的 “N4” 工藝，但實際上它是用台積電 5nm N5 和 N5P 工藝的增強版製成的。之所以會困在這裏，與工藝的進一步前進更加困難有關。

使用 3nm 工藝製造芯片是一項複雜的任務，需要極高的精度，採用最先進的製造技術，結合創新的光刻、蝕刻和沉積方法，在微觀尺度上創建複雜的電路。製造過程涉及多個複雜的步驟，即使是最小的偏差也可能導致顯著的良率損失。為此，包括台積電、三星和英特爾在內的廠商都在推進這個工藝上碰到問題。而且，該工藝價格昂貴，據 semianalysis 分析，台積電的 3nm 有約 25 個 EUV 層，幾乎是 N5 的兩倍，這超出了大多數客户願意支付的價格。

現在，台積電終於有了跨代的新工藝，蘋果也終於可以擁抱其來實現跨越性的增長。

從廠商分享的數據來看，3nm 應該為蘋果芯片提供自 2020 年以來最大的性能和效率飛躍。3nm 增加的晶體管數量使芯片能夠以更快的速度同時執行更多任務，同時使用更少的功耗。

據台積電董事長 Mark Liu 介紹，3nm 製程的邏輯密度將增加約 70%，於相同功耗下，速度提升 10-15%，或於相同速度下，功耗降低 25-30%。此外，3nm 芯片還可以支持更先進的專用芯片硬件。例如，3nm 芯片可能支持更先進的人工智能和機器學習任務，以及更先進的圖形功能。這種提升在過去幾年是很少見到的，相信這也是蘋果看上 3nm 的原因。

台積電的全面護航

正如前面所有，蘋果將在多款芯片上使用 3nm，為此有新聞傳出，蘋果為了確保擁有足夠的 3nm 製程處理器，提供予 iPhone、Mac 和 iPad 使用，已經向台積電預留了今年 90% 的產能，去生產 A17 Bionic 和 M3 系列處理器。

作為台積電的長期合作伙伴，有指 Apple 早在 2020 年開始就向對方訂購 3nm 芯片，並且會長期採購，預計 Apple 會將 3nm 芯片用於發表全新的產品類別，例如自動駕駛汽車。

而台積電為了抱住蘋果這個大腿，也與他們在合作上付出了很多。

據 EE Times 在今年五月報道，Arete Research 分析師 Brett Simpson 告訴 EE Times，他估計台積電 A17 和 M3 處理器的良率約為 55%，這適合台積電所處的開發階段。他表示：“台積電預計每個季度的良率將提高約 5 個百分點以上。”

不過，台積電首席執行官 CC Wei 隨後表示，公司已實現 “大批量生產，良率良好”，但客户的需求超出了其供應能力。下半年，台積電將加大為蘋果生產 A17 和 M3 芯片的產量，同時也為英特爾、AMD 和 Nvidia 生產芯片。

而據 The Information 報道，芯片供應商台積電採取了不同尋常的舉措，在推出 iPhone 15 Pro 和 A17 Bionic 芯片之前，不再向蘋果收取有缺陷的 3nm 芯片費用。The Information 表示，台積電僅向蘋果收取 “known good dies” 的費用，對有缺陷的芯片不收取任何費用。這是非常不傳統的，因為台積電客户通常必須支付晶圓及其包含的所有芯片的費用，包括任何有缺陷的芯片。

由於蘋果從台積電獲得的訂單如此之大，它顯然有理由吸收有缺陷芯片的成本。蘋果願意成為供應商新制造工藝的第一個客户，這有助於它支付新節點的研發費用以及製造它們的設施的費用。

對於新的製造工藝來説，這個決定帶來的節省成本可能相是當可觀的。The Information 稱，大約 70% 的早期 3 nm 芯片已經可用，儘管這個數字可能會根據正在製造的芯片而變化，並且隨着工藝的改進，通常會隨着時間的推移而上升。

當然，蘋果訂單的規模也使得台積電能夠更快地學會如何在量產過程中改進和擴大節點。

據財報顯示，全球最大的半導體代工廠台積電 2022 年服務了 532 家客户。不過，其前 10 名客户佔其營收的 68%。其中，蘋果是最大客户，佔台積電營收的 23%。報道指出，台積電的蘋果收入在 2022 年增長了 18.2% 至 175 億美元。

其他客户面臨的挑戰

對於蘋果和台積電來説，他們雙方的決定都是一個基於雙方需求做出的取捨。但是一旦台積電在蘋果的支持先，讓 3nm 芯片的生產和良率問題得到改善。那麼其他想要 3nm 的客户，將可能不可避免地向台積電支付更高的價格，併為有缺陷的芯片付出費用。

台積電此前曾透露，其 N3 節點已被高性能計算 (HPC) 和智能手機 SoC 的設計者採用  ，並且在其生命週期早期，採用者數量比 N5 更高。然而台積電從未提及有多少家公司決定使用其 3 納米級製造工藝。

不過，Synopsys IP 營銷和戰略高級副總裁 John Koeter 早前曾表示：“用於台積電 3nm 工藝的 Synopsys IP 已被數十家領先公司採用，以加快其開發速度、快速實現芯片成功並加快上市時間。” 這也從側面披露了台積電 3nm 的受歡迎程度。

但是，對於這些廠商而言，他們似乎沒有像蘋果那樣跟台積電討價還價的資本。

統計顯示，台積電的十大客户包括蘋果、高通、AMD、博通、NVIDIA、聯發科、英特爾、Marvell、恩智浦和紫光展鋭。受基於 N6/N5/N4 的芯片以及更廣泛的汽車和物聯網領域的影響，高通成為台積電的第二大客户。高通 2022 年在代工上花費了 150 億美元以上最大的份額流向了台積電和三星。這和台積電獨家生產蘋果芯片帶來的營收佔比有很大的差距。

據 DigiTimes 在去年年底的報道，用於這家台灣芯片製造商 3nm 工藝的一塊加工晶圓可能會讓客户損失約 20,000 美元。相比之下，台積電的 5 納米工藝晶圓成本約為 16,000 美元。

台積電 CCWei 在四月也表示：“由於我們的客户（猜測是蘋果）對 N3 的需求超出了我們的供應能力，我們預計 N3 將在 HPC 和智能手機應用程序的支持下於 2023 年得到充分利用。”

換而言之，對於今年想使用台積電 3nm 的客户來説，不但需要在產能上面臨挑戰，價格也是他們需要跨越的又一座大山。