2023年9月13日，苹果的秋季新品发布会上，与iphone 15 pro系列一同登场的，还有全球首款3nm芯片a17 pro，其依旧出自苹果的老朋友台积电之手。
在这款芯片发布前，大家都对它寄予了厚望，与4nm这样的小节点相比，3nm是继5nm后又一次重要的工艺迭代，回顾过往历史，每次工艺的大升级，都会带来芯片性能的又一次大幅度提升，而3nm本该也是如此。
但意外偏偏发生了，这颗本应强大的a17 pro芯片提升幅度并没有大家想象中那么大，反而iphone 15 pro的发热问题，让苹果变成了“火龙果”。
那么，发热发烫这个锅，是不是要让台积电来背呢？
神仙难救的散热
很快就有人为台积电撑腰了，天风国际分析师郭明錤今日发文，针对目前苹果 iphone 15 pro 手机过热问题进行了解读，并表示“与台积电 3nm 制程无关”。
郭明錤称，iphone 15 pro 系列的过热问题，与台积电的 3nm 制程无关，主要很可能是为了让重量更轻，因此对散热系统设计作出了妥协，像是散热面积较小、采用钛合金影响散热效果等。
当然，这话说得确实挑不出毛病，根据目前的拆解来看，iphone 15 pro依旧采用的双层主板，背部是rom芯片，面前的是基带芯片，都是发热量较大的几颗芯片，把它们放到一起，无异于让a17 pro待在篝火旁边，负载一大，火势就会变大，不仅处理器降频运行，用户也会很快就会感受到手机发热。
外加苹果在这次发布会上吹了很久的钛合金边框，实际上还变相加剧了iphone散热差的毛病，钛的导热系数λ=15.24w/（m.k），约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比纯钛的导热系数还有再下降约50%，这也就是说iphone 15 pro虽然轻了，但是散热反而不如iphone 15的铝合金边框和iphone 14 pro的不锈钢边框。
但是郭明錤这番话也并不全面，根据国内极客湾的测试，iphone 15 pro和iphone 15 pro max的续航时间相较于上一代，反而出现了倒退，下降了几十分钟左右，在电池容量微增的基础上，续航时间反而缩短，除了处理器本身性能调度原因外，问题恐怕还是出在了a17 pro的本身的能效表现上了。
根据techinsights的芯片拆解，与a16相比，a17 pro 每颗性能核心和效率核心的面积减少了 20%，每个 gpu 核心的面积增加了 5%，整体 gpu 核心增加了 20%，且由于工艺制程的进步，a17 pro芯片的整体面积略有缩小，但晶体管数量来到了新高，为190亿，对比上代的160亿晶体管，增加了近20%，能够完成如此大的升级，台积电3nm工艺功不可没。
但根据苹果官方的公告，a17 pro的cpu整体性能只是比上一代提升了约10%，提升幅度达到20%的gpu又有很大程度上是因为5核变6核，只有npu提升幅度最大，算力从17tops升级到35tops，不难猜测它的实际规模变大了不少，外加新的usb 3控制器的加入，这些就是a17 pro的主要升级点了，并未完成很多人预期里的大幅度跨越。
当a17 pro褪去了神话光环之际，台积电的3nm也备受质疑。
finfet气数已尽
为什么在4nm还顺风顺水的台积电，唯独到了3nm时却翻了车呢？
在5nm时，无论是台积电还是三星，都采用了finfet（鳍式场效晶体管）的技术来控制流过晶体管的电流，这种技术能从「三面」来控制电子的通过（如下图），若电子没有被好好控制而乱跑，就会造成漏电，继而使手机的温度升高。
为选择更好的控制电流，两家半导体巨头都发展出从「四面」来控制电子通过的技术，称作gaa（gate-all-around），进一步防止漏电发生。但在3nm这一节点，台积电选择续使用finfet工艺，直到2纳米才转换成gaa，三星则抢先在3纳米时导入gaa，虽然目前还未大规模量产，但有望提供比finfet更好的功耗与密度。
2011年，英特尔首度在ivy bridge 微架构处理器上应用22nm finfet技术，2014年，台积电和三星首度在16/14nm工艺里导入finfet工艺，在随后的几年时间当中，finfet成为了众多晶圆厂热捧的技术，传统平面工艺无法满足先进制程的需求，摩尔定律再一次得到延续。
但没过几年，到了7nm制程以下，静态漏电的问题越来越大，原本制程演进的功耗和性能红利逐渐消失，finfet无法满足3nm及更先进制程的需求已成为了大家的共识，何时导入gaa就成为很多人关心的重点，英特尔和台积电选择在3nm上继续沿用finfet，而处于竞争劣势的三星下定决心，在3nm就引入gaa技术，力图争取到更多客户。
在2020年8月的台积电技术研讨会上，台积电表示，它已对其 finfet 技术进行了重大更新，n3即3nm会使用 finfet 的扩展和改进版本，性能增益高达 50%，功耗降低高达 30%，密度增益比 n5 提高 1.7 倍，不过这里需要注意的是，这部分对比仅仅是初代n3与n5的对比，在n5经过多轮迭代升级到最新的n4之后，实际提升并没有研讨会上公布的那么美妙。
回过头再来看gaa，台积电将其称为nanosheet fet，intel称其为ribbonfet，这些技术本质都是一样的，就是把finfet的fin转90°，然后把多个fin横向叠起来，这些fin都穿过gate——或者说被gate完全环抱，所以叫做gate all around；另外每个翻转过的fin都像是一片薄片(sheet)，它们都是channel，因此也被称为nanosheet fet。
从结构上来看，gaafet电晶体的gate与channel的接触面积变大了，且每一面均有接触，也就能够实现相比finfet更好的开关控制。而且对于finfet而言，fin的宽度是个定值；但对gaafet而言，sheet本身的宽度与有效通道宽度是灵活可变的。更宽的sheet自然能够达成更高的驱动电流和性能，更窄的sheet则占用更小的面积。
台积电没在3nm用gaa的原因并不难理解，成本和技术。成本是新工厂新设施吃掉的资本投入，而技术呢，例如硅基通道中较低的空穴迁移率(hole mobility)，导致pfet性能表现不佳。ibm在之前的iedm上表示，这一问题的解决方法在于pfet可应用压缩应力的锗化硅(sige)通道材料：「pfet锗化硅通道能够实现40%的迁移率提升，相较硅基通道有10%的性能优势，而且有更低的阈值电压(vt)，负偏压温度不稳定性(nbti)表现也有提升。」
当然gaa的好处并不明显可能也是台积电的顾虑之一，三星此前谈到了3nm gaa制程，其比4nm finfet在频率和功耗方面的优势，如下图所示，但图中并没有提供绝对值和相对值，其只是笼统地说，3nm gaa与4nm finfet电晶体相比，在相同的有效通道宽度(weff，fin/sheet的宽度× fin/sheet的个数)下，3nm gaa能够达成更高的频率；与此同时达成更低的功耗。
种种原因让台积电打定主意，在2nm才会使用gaa，3nm成为了最后一代finfet，这也为a17 pro的翻车埋下了伏笔。
更要命的当然还是良率问题，根据 hi investment & securities 的数据，三星的 3 nm良率估计超过 60%，相比之下，台积电的 3 nm良率约为 55%，新技术的良率几乎与旧技术良率持平，让人不由想起了几个月前曝光的苹果与台积电之间的“甜心交易”：苹果向台积电下巨额 3nm 芯片订单，但是要求不合格芯片成本均由台积电自己承担，苹果只需要为良品芯片付费，有媒体表示，这样下来，苹果每年可节省数十亿美元。
如果良率足够高，苹果也没必要专程与台积电达成这项交易了，而台积电自2022年量产3nm至今，良率仍然没有到达苹果的底线，如今在能耗表现上也不理想，接下来能否说服更多客户接受这样一个价格再次上涨的工艺，或许才是台积电在2024年需要解决的大问题。
3nm谁领风骚？
目前，台积电为苹果代工的依旧是n3b即第一代3nm工艺，该工艺的好处是晶体管密度大幅增加，即a17 pro实现的190亿晶体管，而明年登场的n3e，在晶体管密度上表现会稍逊一筹，但功耗控制方面更加理想，包括苹果在内的的多家厂商都有意采用这项工艺，如果届时台积电能大幅提升良率，相信上门的fabless厂商依旧会络绎不绝。
但三星早已拿着gaa的3nm虎视眈眈，一旦台积电犯下错误，原本属于它的订单就有可能流向老对手，而这样的局面早在16nm和7nm时就上演过，如今3nm悬而未决，未尝没有再发生一次的可能性。
3nm，是台积电亟需跨过的一道小坎。
参考文献
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，与a15/a16配置对比——iphone-mania
3. 跟三星不同調！台積電3奈米架構沿用finfet，首席科學家黃漢森揭背後決策——bnext
本文来源： (id:icbank)，原文标题：《3nm，台积电的一道小坎》
来源: wallstreetcn.com/articles/3698946