6月19日，一则消息在科技圈内引起了轩然大波。知名分析师郭明錤在个人社交媒体上爆料，由于三星自家的Exynos 2500芯片良率远低于预期，导致无法按时出货，高通将取而代之，成为三星Galaxy S25系列机型的独家SoC供应商。这一变化，无疑给三星的半导体业务蒙上了一层阴影。
回溯到上一代Galaxy S24机型，高通处理器芯片仅占据了40%的市场份额，而剩余的60%则由三星自研芯片占据。三星Galaxy S24和S24+搭载的便是三星自家研发的Exynos 2400 4纳米芯片，其技术实力可见一斑。然而，当三星试图跨越到更先进的3纳米工艺时，却似乎遭遇了技术瓶颈。
此前，韩媒DealSite的一份爆料更是令人咋舌：三星在试生产Exynos 2500处理器时，其3纳米工艺的良率竟然为0%。这一消息虽令人难以置信，但却与郭明錤的爆料不谋而合，引发了业界对三星3纳米工艺良率的广泛质疑。
三星的3纳米 GAA工艺难产，不仅影响了Exynos 2500处理器的生产，更波及到了后续产品，如Galaxy Watch 7的芯片组也无法实现量产。这一连锁反应，对三星的半导体业务乃至整个电子产品线都造成了不小的冲击。
其实，早在去年12月，就有业内人士爆料称，高通因三星3纳米良率不佳，已取消原计划由三星作为第二供应商的策略，转而选择台积电独家代工其下一代处理器Snapdragon 8 Gen4。这一决策转变，无疑是对三星3纳米工艺良率问题的又一有力佐证。
面对外界的种种质疑，三星总部回应称，3纳米的良率和客户相关信息均为敏感信息，无法透露。同时，公司也表示，目前3纳米芯片工艺在良率和性能表现上正不断成熟，并计划于今年晚些时候推出第二代3纳米工艺，以期挽回市场信心。
然而，三星在3纳米工艺上的巨额投资却不容忽视。据财报显示，三星在全年资本支出中，有近半数资金用于半导体领域。而在整个3纳米项目中，三星更是投入了高达1160亿美元，折合近8400亿人民币。这还不包括后续两座3纳米工厂的建设费用。
如此巨大的投入，如今却面临着良率低迷的困境，无疑给三星带来了巨大的压力。
而根据三星电子披露的2023年全年的业绩报告来看，三星营业利润较上年同期下降84.9%，全年营收下降14.3%，全年净利润下降72.2%。其中，受损最大的自然是半导体业务，2023年损失14.9 万亿韩元。
因此，三星在3纳米工艺上面临的良率问题，已成为其半导体业务发展的一大桎梏。
寄以厚望的3纳米
最近一场关于三纳米（3nm）工艺制程的豪赌，却让这家巨头企业陷入了前所未有的困境。
曾几何时，三星宣布全球首家量产3纳米芯片，这一消息如同科技界的一声惊雷，震撼了所有人。Exynos 2500，这款基于三星3纳米工艺制程的芯片，被寄予了厚望。它的设计目标直指高端设备市场，旨在以全新的Cortex-X5核心和Cortex-A730核心，为用户带来前所未有的性能体验。与上一代Exynos 2400相比，性能提升的预期让人充满期待。
现实却给了三星一记重拳。在试产阶段，Exynos 2500未能通过质量测试，这一突如其来的挫败不仅让这款芯片的前景蒙上了阴影，更导致后续的Galaxy Watch 7的芯片组也无法量产。对于三星来说，这无疑是一次重大的挫败，尤其是在与台积电的半导体工艺制程竞争中，这一挫败更显得尤为刺眼。
三星的3纳米工艺技术，在业界曾被视为一项重大突破。与台积电在2纳米工艺制程上才会转向GAA晶体管的保守策略相比，三星在第一代3纳米工艺上就大胆地采用了GAA晶体管技术，而且是MBCFET多桥通道场效应晶体管，这一技术被称为SF3E，也就是3GAE工艺。
这种技术采用了更宽通的纳米片，与采用窄通道纳米线的GAA技术相比，能提供更高的性能和能耗比。GAA的设计灵活性对设计技术协同优化（DTCO）非常有利，有助于实现更好的PPA（性能、功率和面积）优势。
然而，理想很丰满，现实却很骨感。
尽管三星的3纳米工艺在技术上有着诸多优势，但量产良率的不理想却让其陷入了尴尬的境地。2022年12月，台积电宣布量产3纳米后，就陆续有韩国媒体曝出，三星实际量产良率远远落后于台积电。根据《金融时报》的报道，三星生产3纳米芯片中最基础的产品良率当时仅为60%，这一数字远低于客户的预期，也导致三星迟迟没能拿下高通、谷歌等大客户的订单。
与之形成鲜明对比的是，台积电虽然落后三星近半年发布3纳米工艺，但其良率与规模却在稳步提升。
目前，三星尚未就这一事件发表正式声明。但业界普遍认为，如果三星无法尽快解决这一问题，其将面临巨大的商业风险。在半导体行业，时间就是金钱，每一分钟的延误都可能意味着数百万美元的损失。而对于三星来说，这场关于3纳米的豪赌，无疑已经让其陷入了深深的困境之中。
放不下的GAA
在这个科技日新月异的时代，有一项技术如同未来电子设备的心脏，它就是GAA技术，全称Gate-All-Around，中文意为“全环绕栅极”。这不仅仅是一项技术，更是推动摩尔定律继续前行的引擎。然而，当我们深入探究这项技术时，也不得不面对它所带来的挑战与困境。
回想1965年，英特尔的联合创始人戈登·摩尔提出了一个震撼业界的预言：集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番。这个预言，被后人称为“摩尔定律”，它如同科技界的灯塔，指引着半导体行业不断前行。然而，随着我们逼近物理的极限，传统的FinFET技术已经难以满足摩尔定律那日益增长的需求。这时，GAA技术挺身而出，成为了摩尔定律的新守护者。
GAA技术，这是一种先进的晶体管设计。与传统的FinFET技术相比，GAA的栅极完全环绕在晶体管的通道周围，如同一把锋利的剑，剑刃（晶体管的通道）被剑身（栅极）紧紧环绕。这种设计提供了更好的电流控制能力，可以显著提高晶体管的性能，降低功耗，并允许在更小的空间内集成更多的晶体管。
然而，技术的进步总是伴随着挑战。为了获得最好的性能、功率和面积（PPA），我们不仅使晶体管更小，而且还改变了其结构。GAA技术就是在侧面铺设FinFET的鳍片（Si场像鱼鳍一样隆起的区域）的片状结构。将这些薄片垂直堆积起来，我们可以使更大的电流在具有相同水平面积的晶体管中流动。但这也带来了工艺上的复杂性，尤其是纳米线GAA，必须堆叠更多的线层以增加总沟道宽度。
在这场科技竞赛中，三星选择了GAA技术作为其突破3纳米工艺的关键。三星的GAA技术，被称为MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET），它通过在纳米尺度上构建多个栅极桥接，实现了对电流的更精细控制。然而，这项技术的推进并非一帆风顺。
尽管GAA技术能够提供比FinFET更高的性能，预计在3纳米工艺中，性能提升可达30%以上；在功耗方面，相较于FinFET，能够实现25%以上的降低。但是，技术的飞跃也带来了前所未有的挑战。从5纳米到3纳米，晶体管的尺寸缩小了40%，这是一个巨大的飞跃，也是一个巨大的考验。
虽然GAA技术，以其独特的栅极设计，完全环绕晶体管的通道，仿佛给晶体管穿上了一层“紧身衣”。这一创新设计确实带来了性能的显著提升和功耗的降低。三星更是将其视为突破3纳米工艺的关键，倾力打造了MBCFET（Multi-Bridge-Channel FET）。然而，这场技术革命的背后，却隐藏着巨大的风险和不确定性。
想象一下，你在一个繁忙的十字路口，如果只有红绿灯控制交通，那么效率必然受限。但是，如果每个方向都有专门的交通管理员，他们可以实时监控并优化车流，那么交通就会变得无比顺畅。GAA技术就像是这些交通管理员，它们在纳米尺度上指挥着电子的流动，确保了数据传输的高速和高效。然而，这些“交通管理员”的训练和管理，却需要极高的工艺和投入。
三星的MBCFET技术虽然创新，但也面临着工艺复杂、成本高昂等问题。纳米线GAA需要堆叠更多的线层，这使得工艺更加复杂，生产成本也随之上升。而对于片状结构的GAA，虽然可以简化工艺，但也需要更大的宽度，这在一定程度上限制了晶体管的密度。
更为严峻的是，随着技术的不断推进，物理极限的制约也日益凸显。即使有了GAA技术，我们是否能够继续遵循摩尔定律的步伐，每两年翻一番，仍然是一个未知数。
另外最新消息显示，美国正考虑限制中国获得GAA的相关芯片制造技术，希望最终可以阻止中国获取用于3纳米及以下生产所需的设备。
路可能走错了
其实不管是台积电的FinFET还是三星的GAA，骨子里都是通过堆资源生生在单位面积上摊入更多的晶体管，以达到推动芯片性能提升的目标。
实际上，从阿斯麦透露的光刻机波长计算可以看出，不论是三星还是台积电，其实际意义上已经没有栅极宽度的计量单位，所谓3纳米更像是对于某种程度上芯片晶体管密度数值的定义。
从真正使用过程中看，芯片只要达到单位面积上晶体管密度追上台积电或者三星所谓3纳米、5纳米的方案，芯片性能不会差这两家推出的芯片多少。
因此，真正要解决的其实是如何提升单位面积上可能容纳的晶体管数量。而根据电子隧穿理论，现在的晶体管栅极宽度，已经挡不住电子，产生大量的能源浪费和发热。从这个角度上看，不论是三星还是台积电，做出的3纳米芯片，能耗高、发热大是必然结果。
所以，从这点来说，他们选择的技术路线可能有问题。而这种技术路线，还特别吃资源，要有极深紫外的光刻机，要有最高标号的光刻胶、浸没式的后道蚀刻设备等等，也让投资十分巨大，稍有不慎就会出现三星目前面临的困境。
反观国内芯片产业，尤其是以华为为代表的先进芯片制造业，其实已经走出自己的一条道路，抛弃了三星和台积电走的所谓主流通路，围绕增加单位面积的晶体管数量来做文章，通过大量使用新架构、新封装工艺等方式，不光利用现有条件推出高性能芯片，还在不断推动芯片性能的增长。
尤其华为在芯片领域公布的一系列设计、制造专利，都是为了提升晶体管密度准备，目标明确，而且有些非常天马行空却又有实施可行性，实属难得。
在这种情况下，估计再有2-3年，我们的高端芯片产业会走出不同于三星、台积电的另一条道路，甚至绕过摩尔定律的限制，推动中国芯片性能的提升。
这是科技和创新的力量，也是自力更生的奇迹。
作 者 | Rickzhang 返回搜狐，查看更多
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