2012年至2016年，在個人電腦與資料中心伺服器所用的FinFET晶片上，英特爾是領先者。台積電與三星則並駕齊驅，爭取蘋果、高通與輝達等客戶的訂單。兩家公司推出新一代三維製程的時間，也逐漸縮短了與英特爾的差距。
競爭者之間的距離從2016年開始改變。英特爾原本計畫在2016年推出10奈米產品，量產日期卻一再延後，部分原因是它為了提升效能，每一步都跨得更大、更激進。這場失足背後的商業模式差異，之後我們還會再聊到。
英特爾的10奈米技術先是延後幾個月到2017年，接著延到2018年，直到2019年才真正投入量產。那個時候，台積電的7 奈米製程早已量產。
台積電與三星推出新製程的時間雖然接近，台積電卻靠著較早推出的16奈米技術，逐步拿下蘋果大部分的晶片訂單。真正的考驗出現在2015年的iPhone 6s。蘋果把A9處理器訂單拆開，一部分交給三星的14奈米FinFET製程，其餘交給台積電的16奈米FinFET製程。帳面上，三星的14奈米聽起來勝過台積電的16 奈米；但到了消費者手裡，一場被稱為「晶片門」（Chipgate）的爭議爆發了。
科技評測者很快就發現，採用台積電晶片的iPhone運作時溫度較低，電池續航也比較好。蘋果證實兩者確實有差異，不過差異很小。這是消費者第一次隱約意識到，製程節點的名字已經失去科學上的意義，效能實測結果與公司的名聲更重要。
從2016 年起，蘋果把所有旗艦處理器訂單都交給台積電。
接下來的4奈米節點，對三星是一次重大挫敗。輝達把全部GPU生意轉到台積電，高通也把手機晶片生意轉了過去。
三星試圖在3奈米這一代一舉超越台積電，做法是把FinFET的「三維薄體通道」策略換成另一種實作，叫做環繞式閘極（Gate-All-Around，後統稱GAA）。到了2奈米，英特爾與台積電也採用GAA結構。三星這次超車失敗，提早推出GAA並沒有讓三星在3奈米生意上取得領先，反倒是低落的良率加深了它的問題。台積電則強化在先進晶片技術上的主導地位。
三星後來公開表示，把重心放在「技術領先」是個錯誤，往後會把重心放在良率上。我認為，「技術領先」本來就應該包括良率。
英特爾與三星的技術失足，剛好碰上AI晶片需求猛然竄升。
對台積電來說，這是運氣，也讓它在這場晶片競賽裡取得令人羨慕的位置。
不過，三星、英特爾與台積電之間，仍是一場咬得很緊的技術競賽。英特爾在背面供電上起步較早，可能因此取得對台積電的優勢。它「美國國家隊」的身分，加上美國政府要求採購美國貨的壓力，也讓英特爾在爭取最大的晶圓代工客戶時更有籌碼，因為那些客戶全是美國公司。
三星在GAA上起步較早，這一步可能在2奈米節點得到回報。它在DRAM供應上的強勢地位，也可能讓它在邏輯晶片與記憶體晶片的搭售上占到便宜，或者運用後文還會談到的先進封裝技術，把兩者放進同一個封裝裡。
新的參賽者也可能出現。例如，日本的Rapidus就打算在2027 年量產2 奈米邏輯晶片。
一個失足，就足以改變整場比賽的形勢。晶片業的競爭就是這麼激烈。這樣的競爭對晶圓代工客戶是好消息，對輝達、博通等晶片公司是好消息，對消費者也是好消息。
FinFET對能源與環境的影響
晶片發熱危機差點終結摩爾定律。要讓摩爾定律繼續走下去，有些規則非改不可。我當時大膽猜測：「每顆電晶體成本快速下降」這條規則是可以改變的。世界真正需要的，是更小、更快、每次運算耗能更少的電晶體，就算製造成本少降一點也願意。我的解法，就是FinFET，以三維結構更有效地抑制漏電。
英特爾與ITRS當年把這場危機界定為晶片發熱問題，我則把它看成一個世界能源問題，並試著用「綠色」電晶體來稱呼節能的電晶體。FinFET能把晶片發熱控制住，同時讓晶片上的電晶體數目每兩年翻一倍。然而，面對AI晶片日夜不停的運算，以及運作中的AI晶片數量快速增加，即使FinFET不斷提升能源效率，也無法完全抵銷總用電量的成長。
國際能源總署估計，2025年全球資料中心的耗電量約為485太瓦時（TWh），相當於4850 億度電。依另一份伺服器能源效率研究公布的成長率計算，2015 至2023年間，一般伺服器的能源效率提高到原來的約六．四倍；2014 至2024年間，用於AI運算的加速晶片，在特定運算格式下則提高到約五十四倍。
為了說明效率提升可能帶來的影響，我做一個簡化估算：假設資料中心的整體運算效率提高到原來的十倍，完成同樣工作所需的電力已經從十減到一。在這個假設下，如果以效率未提升時的技術，完成2025年同樣多的運算，用電量就會是實際用量的十倍，也就是4850太瓦時。兩者相差4365太瓦時，相當於4 兆3650 億度電。
按照這項簡化估算，2025年可少用的電力約為4365太瓦時。若以每部年發電量約一百一十億度的大型商用核子反應爐換算，約相當於四百部反應爐一年的發電量。四百部是什麼規模？
2024年底，全球運轉中的核子反應爐共有417部，各部的發電能力並不相同。
如果這些電全部由燃煤電廠供應，還可能排放約四十億噸二氧化碳。隨著運算需求繼續增加，晶片節能效果的重要性也會愈來愈高。
FinFET也把半導體產業推向新的規模。過去從未有這麼多市值達千億美元、甚至兆美元級的半導體公司，輝達也一度成為全球市值最高的公司。
FinFET解決曾經無解的晶片發熱危機，也讓每次運算所需的能源為原本的十分之一；但AI帶來的運算需求還在快速增加，節能這場工作並沒有結束。
我和台積電的故事也沒有結束。隨著台積電成為台灣產業的重要支柱，不同政黨的總統先後找我，媒體也來徵詢我的看法。
他們都在問同一件事：台灣經濟是不是太倚重電子業了？
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本文授權轉載自《拿出辦法來：三維電晶體之父胡正明改變半導體世界的科學人生與科技思索》，胡正明著，天下文化
責任編輯：蘇柔瑋
