3纳米芯片性能成“鸡肋”？苹果下一代手机从性能转向能耗

2022年12月30日，也就是在2022年的倒数第二天，台积电正式发布了3nm芯片工艺，也算是完成了其在年内量产该芯片工艺的承诺。据悉，台积电3nm工艺将会在中国台湾南部园区生产，且其对外表示，客户对TSMC 3nm工艺的需求“非常强劲”。

尽管台积电预估3nm工艺将在五年内创造1.5万亿美元产品终端价值，但目前这一工艺仅将被应用到苹果设备上，其他厂商仍持观望态度。这背后的原因在于3nm工艺性能提升有限，且代工成本昂贵，也只有对产品性能孜孜以求的苹果敢于“大手笔”采购。

3nm工艺接近芯片工艺“天花板”

尽管理论上芯片工艺还可以继续，但由于接近1纳米物理极限，其上升空间已不大。这一点在进入5纳米芯片工艺之后，已体现得尤为明显。

根据台积电说法，对比N5工艺，N3功耗可降低约25-30％，性能可提升10-15％，晶体管密度提升约70％。但是3nm良率拉升难度飙升，台积电为此已不断修正3nm蓝图，且划分出N3、N3E等多个3nm家族版本。

从数据上来看，芯片性能演进已经脱离了摩尔定律的范畴。在摩尔定律鼎盛之际，半导体芯片的集成度随着工艺节点的缩小每18个月翻一倍，同时也带来了大幅的性能提升。

如今，我们看到随着摩尔定律接近物理极限，下一代工艺的进一步更新的节奏正在慢慢放缓。同时新工艺的成本越来越高但是对于性能的提升正在变小（只有15-30%左右）。

在摩尔定律放缓的过程中，SRAM单元微缩减缓已经成为先进芯片工艺进步的最大阻碍因素之一。尽管芯片逻辑密度也在减缓，但也远远好于SRAM单元的缩微化。WikiChip发布的一份报告提到，台积电在SRAM方面的微缩速度已大大放缓，且认为SRAM单元缩微化减缓将对3纳米及以下的芯片工艺带来很大影响。

根据WikiChip报告，台积电采用N3和N5制程的SRAM大小为0.0199μm²和0.021μm²，仅缩小了约5%。而N3E制程基本维持在0.021μm²，相较N5制程几乎没有微缩表现。这就导致芯片工艺更多依靠芯片逻辑密度缩微化，SRAM单元成为芯片工艺进步的“硬肋”。

因此，在智能手机市场萎靡的大行情下，性能提升不大的3纳米工艺，能适用的终端产品的选择已不大。

苹果从性能转向能耗

一直以来，苹果凭借A系列芯片性能强劲，长期保持相对于安卓阵营的碾压性优势，几乎每一代产品都能领先竞争对手一段时间。不过，苹果在iPhone14系列采用双芯片策略之后，即标准版沿用A15芯片节省成本，只有Pro版搭载A16芯片，已经招致消费者的不满，也给予了相应的市场反馈。

有消息传出，苹果仍将沿用双芯片策略，最新的A17芯片只会出现在iPhone 15 Pro版本的机型当中，标准版的iPhone 15搭载的将是iPhone 14 Pro机型的A16仿生芯片。

据悉，与目前的5纳米芯片相比，3纳米芯片将提供更好的性能，苹果可能会在2023年开始采用3纳米处理器。不过，3nm代工价格突破2万美元/片晶圆，也就是14万元左右才能加工一片12英寸晶圆，首批投片量只有数千片，目前只有苹果有需求。

苹果之所以坚持双芯片策略，主要在于其希望通过在iPhone 15 Pro系列高端机型上搭载最新的A17处理器，以提升新款iPhone高端机型的出货比例，实现利润最大化。

就3纳米芯片工艺性能来看，苹果似乎已在芯片性能上妥协，其iPhone 15 Pro 系列所搭载的 A17 芯片可能会更注重电池续航，而非芯片性能。这一点从台积电为其代工的3纳米芯片的数据也可以看出来，显然3纳米芯片功耗降低约25-30％，要比性能提升10-15％更加“亮眼”很多，也算是“不得已而为之”。

值得一提的是，当前手机、PC市场都处于“寒冬”阶段，2023年也存在诸多不确定性，台积电“3nm工艺将在五年内创造1.5万亿美元产品终端价值”的口号是否有些过大？尽管除了苹果之外，英伟达、AMD、英特尔、高通等这些台积电大客户都有采用3纳米芯片的意愿，但大行情下不得不低头，加之3nm工艺高昂的代工成本，其均没有明确的采购时间表。