台积电3nm制程中的两个主要困难分析

下周四，全球最大的芯片代工厂台积电（TSMC）将宣布去年的收入和支出以及今年的支出计划。几天前，台积电决定将公司今年的资本支出增加到220亿美元。
主要原因是台积电需要大量生产5nm工艺和3nm工艺的布局计划。一些网友可能对华为与台积电之间的合作被迫终止以及台积电的生产能力出现较大缺口感到好奇。
生产能力应该急剧下降。为什么将资本支出增加到220亿美元呢？实际上，在台积电输掉华为之后，苹果迅速填补了空缺。
根据最新消息，明年苹果将接管台积电5纳米工艺产能的80％。由于产能不足，台积电还取消了苹果和高通等客户提供的折扣。
目前，台积电的5nm工艺的月产能约为6万片。根据台积电的估计，到今年下半年，每月5nm的产能将达到100,000。
此外，台积电也在积极部署3nm工艺。与5nm工艺相比，3nm工艺不仅使晶体管密度提高了70％，性能提高了15％，而且功耗更低。
但是，由于当前的设备和工厂无法满足3nm工艺技术的需求，TSMC只能重建晶圆工厂。目前，苹果已成为台积电3nm制程的第一批客户，预签了台积电3nm制程的初始生产能力。
作为台积电最大的竞争对手，三星也不是闲着。为了赶上台积电，三星计划在3nm工艺的研发和生产中投资1,160亿美元。
然而，就目前的情况而言，三星在3nm制程中仍将落后于台积电至少半年。凭借技术领先地位，生产能力和足够的订单数量，台积电本应迎来收入高峰。
但是，台积电最近遇到了两个主要困难。主要问题在于3纳米的开发和批量生产。
困难1：R＆amp; D进度被阻止。台积电和三星在3nm工艺的开发中都遇到了困难。
它原定于2022年实现3nm的批量生产，但也可能会推迟，这将影响苹果产品开发的进度。台积电董事长刘德银透露，为开发3nm制程，台积电已投资新台币2万亿元（折合人民币4,620亿元）。
然而，随着3nm工艺逐渐接近摩尔定律的极限，开发非常困难。即使台积电的3nm采用保守的FinFET技术，发展仍然不是很顺利。
如果台积电在过去两年中无法取得突破，那么在未来几年中，手机行业将使用5nm工艺芯片。难题2：台积电的“电力短缺”如果不是台积电发布的官方数据，很难想象台积电的用电量是如此恐怖。
2019年，台积电的全球能耗达到143.3亿千瓦时，几乎相当于深圳一年的总耗电量。此外，台积电的3nm芯片工厂投产后，预计每年的功耗将增加70亿千瓦时。
如此巨大的能源消耗，即使将岛上新的电力消耗的三分之一提供给台积电，对于能源匮乏的二次世界大战也将承受巨大的压力！台积电计划在2024年至2025年之间将其3nm芯片生产能力集中在台南科学园区。那时，“电力短缺”到了2000年。
大规模生产所需的能源消耗所引起的问题将成为3nm制程技术对台积电的最大威胁。因此，尽管台积电的利润只能用于支付巨额电费，但是很明显，目前台积电面临的两个主要困难无法用金钱解决。
在过去的几年中，小才大喊“用爱发电”的口号，但爱显然无法为台积电生产芯片。目前，台积电不仅要解决3nm工艺技术的布局问题，而且要解决“功率不足”的问题。
3nm工艺能否按计划在2022年量产尚不确定。但是，对于国内芯片制造商来说，这并不是什么好消息，他们可以有更多的时间赶上台积电的技术水平。