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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成為今年的亮點之一。
A17 Pro采用了臺積電最新的3nm工藝（N3）制造，晶體管數量達到190億，這是臺積電3nm工藝首次應用在頂尖芯片上，而3nm工藝將比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%。
根據臺積電的資料，其3nm節點可以分為N3B、N3E、N3P、N3X等，這里的N3B也就是N3，而之所以做了這么多拆分，是因為臺積電在不同的技術指標上進行了對應的優化。
圖為臺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，理由是其能效不達標，而臺積電也有意放棄，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，也確實都轉向了N3E。
更為反常的是，就在新iPhone發布前，一則臺積電和蘋果簽訂的“對賭”協議將臺積電推向了輿論的焦點。
協議規定，未來一年臺積電3nm將只為蘋果專用，如果生產的芯片中有不良的廢片，將不再按業界慣例由客戶（即蘋果）埋單，而是由臺積電自己消化。據估計，僅僅這一項就能為蘋果節省幾十億美元的額外費用。
這次臺積電的讓步很不尋常，因為蘋果將獨占目前最先進的臺積電的3nm工藝長達一年的時間，這將讓蘋果的產品更有競爭力。為何臺積電肯打破慣例為蘋果做出如此大的讓步呢？
臺積電為蘋果代工生產芯片的歷史可以追溯到2014年，蘋果將iPhone 6上的A8自研芯片交給臺積電代工。
彼時，蘋果也在三星代工生產芯片，但因為雙方的智能手機競爭、供應鏈安全等諸多原因，蘋果將越來越多的芯片交給臺積電生產。現在，蘋果所有的芯片都由臺積電代工，并成為了臺積電最大的客戶。
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，采用臺積電增強型5nm工藝制造。而更早的M1系列芯片也是由臺積電（標準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
而此次臺積電為蘋果打破慣例的做法，讓業界深感意外。有人說臺積電已被蘋果精準“拿捏”：如果不簽這個協議，有可能失去這家占臺積電營收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芯片將成為臺積電自己手中的“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為什么A17 Pro會成為“燙手的山芋”，臺積電又將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，之后將晶圓片上的裸芯片切割開來，封裝后安裝到電子產品上。
根據業界慣例，晶圓上的不良芯片將由客戶買單，制造廠并不承擔這筆費用。但客戶也并非完全承擔損失，因為有些不良芯片并非完全壞掉了，而只是無法發揮100%的設計性能。只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產品上繼續使用的，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。業內有消息稱，這次臺積電為蘋果iPhone15制造的A17 Pro芯片良率很低，僅達到了70-80%，換句話說，臺積電要為20%-30%的不良芯片買單，我們可以大概算一筆賬，看看臺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，那么12個月臺積電要為此額外支出費用就是36億美元(約合人民幣260億元)，這筆錢占了2022年臺積電利潤341億美元的10.6%。
如果上述計算符合實際情況，那么如果要扭轉這種“巨虧”的局面，臺積電唯一能改變的就是良率。
02
良率問題“扼殺”貝爾實驗室
良率不僅決定臺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（硅晶體管、光刻、擴散技術、硅晶圓拉伸與提純等），但卻完美地錯過了這一載入史冊的重大發明，而將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為，如果將眾多晶體管集成起來，那么整體的良率將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，芯片的整體良率將是100個99%的乘積，即36%。
如果芯片上有500個晶體管，良率將降低到7/1000。芯片上有1000個晶體管呢？良率將再次降低到4/100000，幾乎等于0。這意味著，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，“你向芯片籃子里放的雞蛋越多，就越有可能碰到一顆壞的蛋。”后來當大規模集成電路（Large Scale Integrated-circuits）興起時，莫頓嘲笑其為“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，就會讓當時微米級別的晶體管發生故障。莫頓認為灰塵是平均分布的，但實際上并非如此。可能有些區域沒有灰塵，那里的良率可以達到100%。如果把灰塵顆粒比作射出的箭，將硅晶圓比作靶子，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，所以只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
保護脆弱的硅晶圓
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，制造廠將芯片制造車間改成成無塵的超凈間，通過空氣過濾系統使得超凈間比醫院的手術室還要干凈1000倍以上。而且，每個進入超凈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硅晶圓。
還遠遠不夠，當前先進工藝車間，幾乎已經看不到操作員，只有機器人和機械臂在全自動地完成各項操作。
臺積電超凈間的工程師，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臺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，為IBM代工的電晶體，當時的良率只有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自有產線。后來張忠謀回憶，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。如果電路設計師將晶體管尺寸設計得比摩爾定律預計得還要小，那么晶圓廠加工困難，就會讓良率遭受打擊，讓成本飆升，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，如果將中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——將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。然后再將許多小芯片在硅晶圓以及基板上封裝在一起，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，確切地說是用2.5D封裝技術實現的，所以也就有了“膠水芯片”的外號。
04
臺積電的生死之戰
2個月前，有消息稱臺積電3nm工藝的良率僅為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內，臺積電能繼續將良率提高到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%，那么臺積電需要額外支付的成本將從36億美元降低到9億美元。如果良率達到98%，那么臺積電的額外成本將被進一步壓縮到3.6億美元。
那樣的話，結論就會反轉，臺積電由于良率提高而節省下來的30多億美元成本將不再是軟肋，而是鎧甲。
改善良率壓縮成本提高利潤率符合正常的商業邏輯，但不能完全解釋臺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臺電的這一反常舉動。
一個信號是，三星于去年6月份正式宣布其已開始大規模生產基于3nm GAA制程工藝技術的芯片，作為對比，臺積電的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，擺在蘋果等一眾客戶面前的3nm制造商的選擇，有兩個，三星和臺積電，而臺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，有傳言稱臺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，盡管臺積電對此表示不予置評。
當初蘋果基于供應鏈安全，選擇臺積電而放棄三星的動作，在時空變換之后，慢慢顯現出對調之勢，這個時候如果三星能夠拿出良率、產能都有保證的3nm解決方案，“去臺積電化”就將成為定局。所以，當時行業里也有一個觀點，臺積電和三星的3nm之爭，說的是“既分高下，也決生死”，這個是值得關注的。
所以，對于臺積電來說，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年量產，號稱可以超過臺積電的3nm，而它當年也被臺積電“橫刀奪愛”。
《芯片簡史》汪波 著，*作者汪波博士是芯片研究專家，科普作家，在華為公司、法國里昂納米國家實驗室和北京大學深圳研究生院有二十多年的研究和教學經驗，著有《芯片簡史》《時間之問》和《時間之問·少年版》，其中《芯片簡史》入選2023年“南國書香節”十大好書榜，探照燈好書、第三期“新發現·科普書單”、百道網2023上半年影響力圖書、中國傳媒出版商報2023二季度影響力書單。
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