iPhone15和iPhone15 Pro系列正式亮相，「超大杯」的核心晶片A17 Pro成為今年的亮點之一。
A17Pro採用了台積電最新的3nm工藝（N3）製造，電晶體數量達到190億，這是台積電3nm工藝首次應用在頂尖晶片上，而3nm工藝將比5nm工藝的電晶體密度多70%、同等功耗下速度可提升15%，或者同等速度下功耗降低30%。
根據台積電的資料，其3nm節點可以分為N3B、N3E、N3P、N3X等，這裡的N3B也就是N3，而之所以做了這麼多拆分，是因為台積電在不同的技術指標上進行了對應的優化。
圖為台積電工藝節點路線圖
儘管A17Pro首發了N3工藝，但是它的誕生並非一帆風順，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，而台積電也有意放棄，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，一則台積電和蘋果簽訂的「對賭」協議將台積電推向了輿論的焦點。
協議規定，未來一年台積電3nm將只為蘋果專用，如果生產的晶片中有不良的廢片，將不再按業界慣例由客戶（即蘋果）埋單，而是由台積電自己消化。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。
這次台積電的讓步很不尋常，因為蘋果將獨占目前最先進的台積電的3nm工藝長達一年的時間，這將讓蘋果的產品更有競爭力。為何台積電肯打破慣例為蘋果做出如此大的讓步呢？
台積電為蘋果代工生產晶片的歷史可以追溯到2014年，蘋果將iPhone6上的A8自研晶片交給台積電代工。
彼時，蘋果也在三星代工生產晶片，但因為雙方的智慧型手機競爭、供應鏈安全等諸多原因，蘋果將越來越多的晶片交給台積電生產。現在，蘋果所有的晶片都由台積電代工，並成為了台積電最大的客戶。
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晶片M2 max和M2ultra，採用台積電增強型5nm工藝製造。而更早的M1系列晶片也是由台積電（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
而此次台積電為蘋果打破慣例的做法，讓業界深感意外。有人說台積電已被蘋果精準「拿捏」：如果不簽這個協議，有可能失去這家占台積電營收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晶片下如此大的訂單。而如果簽了，A17Pro晶片將成為台積電自己手中的「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麼A17 Pro會成為「燙手的山芋」，台積電又將如何來解決這個問題。
這要回到半導體製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晶片的占比。一塊晶圓片上可以同時製造數百顆同樣的裸晶片，之後將晶圓片上的裸晶片切割開來，封裝後安裝到電子產品上。
根據業界慣例，晶圓上的不良晶片將由客戶買單，製造廠並不承擔這筆費用。但客戶也並非完全承擔損失，因為有些不良晶片並非完全壞掉了，而只是無法發揮100%的設計性能。只需降低晶片工作頻率，其中一部分不良晶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，半導體製造業在加工成熟工藝時，良率能達到99%以上。業內有消息稱，這次台積電為蘋果iPhone15製造的A17Pro晶片良率很低，僅達到了70-80%，換句話說，台積電要為20%-30%的不良晶片買單，我們可以大概算一筆帳，看看台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，那麼12個月台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年台積電利潤341億美元的10.6%。
如果上述計算符合實際情況，那麼如果要扭轉這種「巨虧」的局面，台積電唯一能改變的就是良率。
02良率問題「扼殺」貝爾實驗室
良率不僅決定台積電這一家企業盈虧，也決定了晶片行業能否按照摩爾定律預測的節奏前進，甚至決定了晶片是否能發明出來。
20世紀50年代，最有可能發明晶片的機構是貝爾實驗室，它勢力雄厚，人才濟濟，更重要的是，它擁有發明晶片技術所需的幾乎全部基礎技術（矽電晶體、光刻、擴散技術、矽晶圓拉伸與提純等），但卻完美地錯過了這一載入史冊的重大發明，而將晶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，如果將眾多電晶體集成起來，那麼整體的良率將是每個電晶體良率的乘積。假設一個電晶體的良率是99%，一顆晶片上有100個電晶體，晶片的整體良率將是100個99%的乘積，即36%。
如果晶片上有500個電晶體，良率將降低到7/1000。晶片上有1000個電晶體呢？良率將再次降低到4/100000，幾乎等於0。這意味著，晶片規模越大，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，「你向晶片籃子裡放的雞蛋越多，就越有可能碰到一顆壞的蛋。」後來當大規模積體電路（LargeScale Integrated-circuits）興起時，莫頓嘲笑其為「大規模白痴」（Large Scale Idiot）。
莫頓的分析看似嚴密，但真的如此嗎？
早期影響晶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電晶體發生故障。莫頓認為灰塵是平均分布的，但實際上並非如此。可能有些區域沒有灰塵，那裡的良率可以達到100%。如果把灰塵顆粒比作射出的箭，將矽晶圓比作靶子，電晶體比作靶心，尺寸越小，被灰塵「擊中」的概率越低。由於灰塵可能較大，一次損壞多個電晶體，但它們同屬於一顆裸晶片，所以只有這一顆晶片被損壞，其他位置的晶片還是好的。這樣晶片的良率不是像莫頓估計的那樣接近於零。
03保護脆弱的矽晶圓
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，不斷地探索提高晶片良率的方法。
早先，製造廠將晶片製造車間改成成無塵的超淨間，通過空氣過濾系統使得超淨間比醫院的手術室還要乾淨1000倍以上。而且，每個進入超淨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，避免毛髮和汗液影響那些脆弱的矽晶圓。
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。
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對良率最有發言權的莫過於台積電的創始人張忠謀。張忠謀早年加入德州儀器時，負責半導體製造業務，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。後來張忠謀回憶，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。如果電路設計師將電晶體尺寸設計得比摩爾定律預計得還要小，那麼晶圓廠加工困難，就會讓良率遭受打擊，讓成本飆升，蘋果的A17Pro，應該屬於這一類問題。
所以晶片更新換代並不是越快越好，而是要符合成本最低的原則。可以這樣理解，良率決定了晶片的成本，而成本下降的速度決定了晶片更新換代的快慢，即摩爾定律的節奏。
當前，一整塊製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採用更小的裸晶片。還是射箭的例子，如果將中10環靶心比作裸晶片，同樣的，裸晶片面積越小，被損害的概率也越小，小晶片技術（chiplet）應運而生——將一大塊裸晶片拆分成許多小晶片，讓每顆小晶片的面積更小，良率提高。然後再將許多小晶片在矽晶圓以及基板上封裝在一起，做出一塊更大的晶片。
今年6月蘋果發布的M2 Ultra就是用兩塊較小的M2Max晶片拼在一起，確切地說是用2.5D封裝技術實現的，所以也就有了「膠水晶片」的外號。
04台積電的生死之戰
2個月前，有消息稱台積電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，台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%，那麼台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%，那麼台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，台積電由於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，但不能完全解釋台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台電的這一反常舉動。
一個信號是，三星於去年6月份正式宣布其已開始大規模生產基於3nmGAA製程工藝技術的晶片，作為對比，台積電的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製造商的選擇，有兩個，三星和台積電，而台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，有傳言稱台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，儘管台積電對此表示不予置評。
當初蘋果基於供應鏈安全，選擇台積電而放棄三星的動作，在時空變換之後，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，「去台積電化」就將成為定局。所以，當時行業里也有一個觀點，台積電和三星的3nm之爭，說的是「既分高下，也決生死」，這個是值得關注的。
所以，對於台積電來說，在3nm上守住蘋果這個客戶，也就等於守住了三星。
另外，也不要忘了英特爾，它手中的Intel3工藝也是2024年量產，號稱可以超過台積電的3nm，而它當年也被台積電「橫刀奪愛」。
