台积电、三星 3nm 之争，再现工艺突破的制胜法宝

打开全球各大晶圆代工厂 2025Q2 的财报 ，TSMC 一枝独秀：营收同比增长大于 40%，遥遥领先行业平均，市场份额进一步扩大到 70%。

回顾历史，近期先进逻辑工艺的几个重大技术分岔点，台积电全部做出了正确的选择，没有明显的错误。

2018 前后开始风险生产的 7nm 节点。Intel 选择了 DUV 光刻机，因良率问题量产困难。TSMC 选择了切换到 EUV 光刻机，成本更低，良率更高。Intel 花了 3 年时间，才解决了良率问题，但错过了市场窗口。台积电一举超越 Intel，取得了先进工艺的领先地位。

2022 前后开始风险生产的 3nm 节点，三星选择切换到更先进的 GAA 晶体管，性能不及预期，又因良率问题量产困难。TSMC 选择了沿用 FinFET 架构，并借助材料和工艺创新来提高性能和密度，率先进入量产。而三星的 GAA 工艺虽然在 2022Q2 年就宣布开始量产，但 2024Q1 年被曝光良率<20%，至今仍在良率爬坡阶段苦苦挣扎。

凭借 3nm 工艺，台积电在 2024 年狂揽 162 亿美元（其 3nm 工艺占全年总营收的 18%），到 2025 年第一季度这一比例更是攀升到 22%。而三星，至今仍未赢得任何一家大客户青睐，市占率近乎为零。这一战，台积电的 FinFET 架构大获全胜，三星的 GAA 架构举步维艰。另据估算，台积电和三星各自在 3nm 工艺节点的研发投入了超过 100 亿美元。

这场百亿级商业机会的角逐，胜负的天平早在 2018 年就已经向台积电倾斜。2018 年 5 月，三星宣布将在 3nm 节点开始采用 GAA 晶体管。彼时，7nm 工艺尚未量产，用于 3nm 的技术还处于早期预研阶段。IBM 等晶圆厂对 GAA 晶体管的研发在 2017 年刚刚取得重大突破，展现出非常显著的性能提升潜力。而进一步提升 FinFET 性能的关键技术也处于学术探讨阶段。台积电、三星和 Intel 对 3nm 工艺的技术选型，都是在缺乏数据支撑的情况下，提前 5 年做了价值数百亿美元的抉择。

台积电的工艺研发部门搭建了一套数字孪生系统，在仿真环境中探索了海量的材料和工艺组合，逐一评估性能收益和良率风险。在这套量化评估系统的支撑下，台积电得以 “未战而妙算”，避免了孤注一掷的豪赌，在科技和商业竞争中接连获胜。

这套数字孪生的核心便是 EDA 软件一个独特的分支——TCAD 仿真软件。TCAD（Technology Computer Aided Design）全称是半导体工艺和器件仿真软件，是全面地描述工艺和器件物理的研发工具软件。它将半导体制造工艺中的薄膜、刻蚀、光刻、离子注入、扩散、氧化、化学平坦化等步骤，以及晶体管物理特性背后需要考虑的量子约束、弹道输运等高阶物理效应，总结成偏微分方程组，用数值方法求解。借助 TCAD 产品，晶圆厂可以通过数值仿真，取代昂贵、费时的实验，缩短工艺研发周期 30% 以上，降低流片成本超 50%（据国际半导体技术路线图 ITRS 数据）。晶圆厂也会利用 TCAD 对不同器件结构进行仿真优化，对电路性能及电缺陷等进行模拟，以此提高器件和电路的性能，在 FinFET、GAA 等先进工艺节点的研发中，TCAD 对器件结构优化的贡献率超 70%。

可以说，TCAD 的应用水平，决定了晶圆厂的工艺先进性和良率，它是晶圆厂器件和工艺研发的核心软件，也是晶圆厂制定芯片工艺规格书的必备工具。多年来，全球 TCAD 仿真工具主要被两家美国公司新思科技和芯师电子（Silvaco）垄断。新思科技作为 TCAD 软件的全球龙头，专注于最先进的工艺节点（如 5nm, 3nm, 2nm）、FinFET、GAA 等复杂三维器件的模拟，是业界公认的黄金标准；芯师电子的 TCAD 在功率器件（Power Devices）、化合物半导体（GaN, SiC）有比较明显的优势。2011 年之后，两家后起新秀加入了这一领域的角逐，它们分别是奥地利公司 Global TCAD Solutions 和中国公司苏州培风图南半导体有限公司，前者以商业化维也纳工业大学（TU Wein）的前沿器件仿真学术成果著称，后者以能全面对标新思科技及拥有出色的虚拟晶圆厂工具 Emulator 而闻名。