The 3nm Battle Between Taiwan Semiconductor and Samsung: The Winning Formula for Process Breakthroughs

打開全球各大晶圓代工廠 2025Q2 的財報 ，TSMC 一枝獨秀：營收同比增長大於 40%，遙遙領先行業平均，市場份額進一步擴大到 70%。

回顧歷史，近期先進邏輯工藝的幾個重大技術分岔點，台積電全部做出了正確的選擇，沒有明顯的錯誤。

2018 前後開始風險生產的 7nm 節點。Intel 選擇了 DUV 光刻機，因良率問題量產困難。TSMC 選擇了切換到 EUV 光刻機，成本更低，良率更高。Intel 花了 3 年時間，才解決了良率問題，但錯過了市場窗口。台積電一舉超越 Intel，取得了先進工藝的領先地位。

2022 前後開始風險生產的 3nm 節點，三星選擇切換到更先進的 GAA 晶體管，性能不及預期，又因良率問題量產困難。TSMC 選擇了沿用 FinFET 架構，並藉助材料和工藝創新來提高性能和密度，率先進入量產。而三星的 GAA 工藝雖然在 2022Q2 年就宣佈開始量產，但 2024Q1 年被曝光良率<20%，至今仍在良率爬坡階段苦苦掙扎。

憑藉 3nm 工藝，台積電在 2024 年狂攬 162 億美元（其 3nm 工藝佔全年總營收的 18%），到 2025 年第一季度這一比例更是攀升到 22%。而三星，至今仍未贏得任何一家大客户青睞，市佔率近乎為零。這一戰，台積電的 FinFET 架構大獲全勝，三星的 GAA 架構舉步維艱。另據估算，台積電和三星各自在 3nm 工藝節點的研發投入了超過 100 億美元。

這場百億級商業機會的角逐，勝負的天平早在 2018 年就已經向台積電傾斜。2018 年 5 月，三星宣佈將在 3nm 節點開始採用 GAA 晶體管。彼時，7nm 工藝尚未量產，用於 3nm 的技術還處於早期預研階段。IBM 等晶圓廠對 GAA 晶體管的研發在 2017 年剛剛取得重大突破，展現出非常顯著的性能提升潛力。而進一步提升 FinFET 性能的關鍵技術也處於學術探討階段。台積電、三星和 Intel 對 3nm 工藝的技術選型，都是在缺乏數據支撐的情況下，提前 5 年做了價值數百億美元的抉擇。

台積電的工藝研發部門搭建了一套數字孿生系統，在仿真環境中探索了海量的材料和工藝組合，逐一評估性能收益和良率風險。在這套量化評估系統的支撐下，台積電得以 “未戰而妙算”，避免了孤注一擲的豪賭，在科技和商業競爭中接連獲勝。

這套數字孿生的核心便是 EDA 軟件一個獨特的分支——TCAD 仿真軟件。TCAD（Technology Computer Aided Design）全稱是半導體工藝和器件仿真軟件，是全面地描述工藝和器件物理的研發工具軟件。它將半導體制造工藝中的薄膜、刻蝕、光刻、離子注入、擴散、氧化、化學平坦化等步驟，以及晶體管物理特性背後需要考慮的量子約束、彈道輸運等高階物理效應，總結成偏微分方程組，用數值方法求解。藉助 TCAD 產品，晶圓廠可以通過數值仿真，取代昂貴、費時的實驗，縮短工藝研發週期 30% 以上，降低流片成本超 50%（據國際半導體技術路線圖 ITRS 數據）。晶圓廠也會利用 TCAD 對不同器件結構進行仿真優化，對電路性能及電缺陷等進行模擬，以此提高器件和電路的性能，在 FinFET、GAA 等先進工藝節點的研發中，TCAD 對器件結構優化的貢獻率超 70%。

可以説，TCAD 的應用水平，決定了晶圓廠的工藝先進性和良率，它是晶圓廠器件和工藝研發的核心軟件，也是晶圓廠制定芯片工藝規格書的必備工具。多年來，全球 TCAD 仿真工具主要被兩家美國公司新思科技和芯師電子（Silvaco）壟斷。新思科技作為 TCAD 軟件的全球龍頭，專注於最先進的工藝節點（如 5nm, 3nm, 2nm）、FinFET、GAA 等複雜三維器件的模擬，是業界公認的黃金標準；芯師電子的 TCAD 在功率器件（Power Devices）、化合物半導體（GaN, SiC）有比較明顯的優勢。2011 年之後，兩家後起新秀加入了這一領域的角逐，它們分別是奧地利公司 Global TCAD Solutions 和中國公司蘇州培風圖南半導體有限公司，前者以商業化維也納工業大學（TU Wein）的前沿器件仿真學術成果著稱，後者以能全面對標新思科技及擁有出色的虛擬晶圓廠工具 Emulator 而聞名。