3nm 竞赛：台积电胜三星，TCAD 软件成工艺突破关键

在半导体行业的激烈竞争中，台积电和三星在 3nm 工艺节点的争夺格外引人注目。让我们一同深入探究这场竞争背后的故事以及关键因素。

打开全球各大晶圆代工厂 2025Q2 的财报，台积电（TSMC）可谓一枝独秀。其营收同比增长大于 40%，远远领先于行业平均水平，市场份额更是进一步扩大到 70%。回顾历史，在近期先进逻辑工艺的几个重大技术分岔点上，台积电都做出了正确的选择。

注：

(1)三星的数据仅包括代工业务。

(2)PSMC的收入仅包括存储器和逻辑电路代工业务。

(3)华虹集团包括华虹宏力、华虹宏力微电子有限公司（HLMC）以及其他业务。

(4)2025年第2季度平均汇率——美元：新台币=1:30.88；美元：韩元=1:1,399.82。

在 2018 年前后开始风险生产的 7nm 节点，Intel 选择了 DUV 光刻机，却因良率问题导致量产困难。而台积电果断选择切换到 EUV 光刻机，不仅成本更低，良率也更高。Intel 花费了 3 年时间才解决良率问题，但此时已经错过了市场窗口，台积电也借此一举超越 Intel，取得了先进工艺的领先地位。

到了 2022 年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，然而性能却不及预期，还因良率问题导致量产困难。台积电则选择沿用 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。三星的 GAA 工艺虽然在 2022Q2 年就宣布开始量产，但在 2024Q1 年被曝光良率低于 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。这场竞争中，台积电的 FinFET 架构大获全胜，三星的 GAA 架构则举步维艰。据估算，台积电和三星各自在 3nm 工艺节点的研发投入都超过了 100 亿美元。

那么，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。

为什么台积电每次都能在技术路线的岔路口，选择正确的路线呢？

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。

从“强设计、弱制造”向“设计与制造协同发展”的转型

今年 5 月下旬，美国商务部工业与安全局（BIS）突然对 EDA 三巨头（新思科技、楷登电子、西门子）下发出口限制通知，要求其向中国大陆客户销售 EDA 工具需提前申请许可，且未设缓冲期。这一禁令，对于比较成熟的通用型的芯片企业来说影响不大，但先进制程再次遭受重创。近年来，美国通过 “实体清单” 等手段，限制任何使用美国技术的公司（包括台积电、三星）为中国特定企业（如华为）代工芯片，并通过设备和软件的禁运，极力阻挠中国芯片生产加工工艺的进步。

中国在过去全球化浪潮中，凭借市场和人才优势，成功地在产业链的“设计”环节占据了重要位置，但对更基础、更需要长期技术积累的“制造”环节投入不足。意识到制造环节的重要性，国家在政策、资金和行业布局等多方面加大投入。比如，区别于一期基金以产能扩张为主要目标，国家集成电路产业投资基金更注重产业链协同增强，形成“设备 - 制造”联动。行业龙头企业华大九天在存储芯片领域实现突破，今年8月，其官宣的“存储全流程EDA解决方案”，突破了传统设计模式受困于海量阵列、复杂信号处理的瓶颈，满足了超大规模Flash/DRAM存储芯片对存储密度、性能、交付效率等的严苛要求。

对于正努力解决“制造”瓶颈的中国半导体产业，TCAD 拥有除了前文所述的重要作用外，还承担着很多特殊任务：

◆绕过部分限制：在无法获得最先进EUV光刻机等设备的情况下，可以利用TCAD在现有工艺平台上进行极致优化，挖掘技术潜力，提升产品性能。

◆加速技术积累：通过仿真可以快速学习和理解国际先进技术的物理本质，缩短自身的技术摸索时间，为自主创新打下坚实基础。

◆支撑产线协同：帮助国内的芯片设计公司（Fabless）与晶圆代工厂（Foundry）更高效地合作。设计公司可以通过代工厂提供的TCAD仿真模型，更好地设计电路，减少MPW（多项目晶圆）流片失败的风险。

总之，TCAD 是连接工艺理论与生产实践、器件物理与电路设计的不可或缺的桥梁。它虽然不是生产线上直接制造芯片的机器，但却是驱动这些机器如何更好地工作的 “大脑”，是现代半导体制造业的基石性工具。在已发生的 3nm 竞争中，TCAD 已从辅助工具升级为战略胜负手。未来，随着 2nm 制程引入 CFET（互补场效应管）和 CFET（互补场效应管），TCAD 需解决三维异质集成与量子效应耦合等新挑战，其重要性将进一步凸显。可以预见，谁能更高效地利用 TCAD 优化工艺、缩短研发周期，谁就能在先进制程的 “马拉松” 中占据先机。