台積電最新工藝路線圖：2nm正式亮相_風聞

在其 2022 年技術研討會上，台積電正式公佈了其 N2（2 納米級）製造技術，該技術計劃於 2025 年某個時間投入生產，並將成為台積電第一個使用其基於納米片的柵極全方位場效應的節點晶體管（GAAFET）。新節點將使芯片設計人員能夠顯著降低其產品的功耗，但速度和晶體管密度的改進似乎不太明顯。

台積電的 N2 是一個全新的平台，廣泛使用 EUV 光刻技術，並引入了 GAAFET（台積電稱之為納米片晶體管）以及背面供電。新的環柵晶體管結構具有廣為人知的優勢，例如大大降低了漏電流（現在柵極圍繞溝道的所有四個邊）以及調節溝道寬度以提高性能或降低功耗的能力. 至於背面電源軌，它通常旨在為晶體管提供更好的電力輸送，為後端 (BEOL) 中電阻增加的問題提供解決方案。新的電源傳輸旨方案在提高晶體管性能並降低功耗。

從功能集的角度來看，台積電的 N2 看起來是一項非常有前途的技術。至於實際數字，台積電承諾 N2 將讓芯片設計人員在相同功率和晶體管數量下將性能提升 10% 至 15%，或者在相同頻率和複雜度下將功耗降低 25% 至 30%，同時，與N3E 節點相比，芯片密度增加了 1.1 倍以上。

與 N3E 相比，台積電 N2 節點帶來的性能提升和功耗降低與代工廠的新節點通常帶來的效果一致。但所謂的芯片密度提升（應該反映晶體管密度增益）僅略高於 10% ，這並不是特別鼓舞人心，特別是考慮到與普通 N3 相比，N3E 已經提供了略低的晶體管密度。

請記住，如今 SRAM 和模擬電路幾乎無法擴展，因此這些天可能會預期實際芯片的晶體管密度會出現平庸的改進。然而，對於 GPU 和其他基於晶體管數量快速增加而生死攸關的芯片而言，三年內芯片密度大約提高 10% 肯定不是好消息。

當台積電的 N2 投入生產時，該公司還將擁有密度優化的 N3S 節點，看來代工廠將擁有兩種基於不同類型晶體管的工藝技術，但提供非常相似的晶體管密度，這在以前從未發生過。

像往常一樣，台積電將為其 N2 節點提供各種功能和選擇，以允許芯片設計人員針對移動和高性能計算設計等進行優化（請注意，台積電將 HPC 稱為非移動、汽車或專業的一切。包括從低功耗筆記本電腦 CPU 到針對超級計算機的高端計算 GPU）。

此外，平台產品包括台積電稱之為“chiplet integration”的東西，這可能意味着台積電使其客户能夠輕鬆地將 N2 芯片集成到使用各種節點製造的multi-chiplet封裝中。由於晶體管密度擴展正在放緩並且新工藝技術的使用成本越來越高，因此multi-chiplet封裝將在未來幾年變得更加普遍，因為開發人員將使用它們來優化他們的設計和成本。

台積電預計會在 2024 年下半年開始使用其 N2 製造工藝風險試產，這意味着該技術應該在 2025 年下半年可用於商業產品的大批量製造 (HVM)。但是，考慮到現代半導體生產週期的長度，如果一切按計劃進行，預計第一批 N2 芯片將在 2025 年末或 2026 年上市可能更為務實。

未來三年，五種3nm工藝

在技術研討會上，台積電宣佈的關鍵事項之一是其屬於其 N3（3 納米級）和 N2（2 納米級）系列的領先節點，這些節點將在未來幾年用於製造先進的 CPU、GPU 和 SoC .

N3：未來三年的五個節點

隨着製造工藝變得越來越複雜，它們的尋路、研究和開發時間也變得越來越長，因此我們不再看到台積電和其他代工廠每兩年就會出現一個全新的節點。在 N3 中，台積電的新節點引入節奏將擴大到 2.5 年左右，而在 N2 中，它將延長到 3 年左右。

這意味着台積電將需要提供 N3 的增強版本，以滿足其客户的需求，這些客户仍在尋求每瓦性能的改進以及晶體管密度每年左右的提升。台積電及其客户需要多個版本的 N3 的另一個原因是，代工廠的 N2 依賴於使用納米片實現的全新柵極環繞場效應晶體管 (GAA FET)，預計這將帶來更高的成本、新的設計方法、新 IP 和許多其他變化。雖然尖端芯片的開發人員將很快轉向 N2，但台積電的許多普通客户將在未來幾年堅持使用各種 N3 技術。

在其 2022 年台積電技術研討會上，該代工廠談到了將在未來幾年推出的四種 N3 衍生製造工藝（總共五個 3 納米級節點）——N3E、N3P、N3S 和 N3X。這些 N3 變體旨在為超高性能應用提供改進的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強的電壓。所有這些技術都將支持 FinFlex，這是 TSMC 的“秘密武器”功能，極大地增強了他們的設計靈活性，並允許芯片設計人員精確優化性能、功耗和成本。

*請注意，台積電在 2020 年左右才開始分別發佈針對模擬、邏輯和 SRAM 的晶體管密度增強。其中一些數字仍然反映了由 50% 邏輯、30% SRAM 和 20% 模擬組成的“混合”密度

N3 和 N3E：HVM 步入正軌

台積電的第一個 3 納米級節點稱為 N3，該節點有望在今年下半年開始大批量製造 (HVM)。實際芯片將於 2023 年初交付給客户。該技術主要針對早期採用者（如Apple 等），他們可以投資於領先的設計，並從前沿節點提供的性能、功率和麪積 (PPA) 中受益。但由於它是為特定類型的應用量身定製的，因此 N3 的工藝窗口相對較窄（產生確定結果的一系列參數），就良率而言，它可能並不適合所有應用。

這就是 N3E 發揮作用的時候。

新技術提高了性能，降低了功耗，增加了工藝窗口，從而提高了良率。但權衡是該節點的邏輯密度略有降低。與 N5 相比，N3E 將提供 34% 的功耗降低（在相同的速度和複雜性下）或 18% 的性能提升（在相同的功率和複雜性下），並將邏輯晶體管密度提高 1.6 倍。

值得注意的是，根據台積電的數據，N3E 將提供比 N4X更高的時鐘速度 （2023 年到期）。不過後者也將支持超高驅動電流和1.2V以上的電壓，在這一點上它將能夠提供無與倫比的性能，但功耗非常高。

總的來説，N3E 看起來是比 N3 更通用的節點，這就是為什麼台積電在這一點上擁有更多的“3nm 流片”，而不是在其類似的開發階段擁有 5nm 級節點也就不足為奇了.

使用 N3E 的芯片的風險生產將在未來幾周（即 2022 年第二季度或第三季度）開始，HVM 將在 2023 年中期開始（同樣，台積電沒有透露我們是在談論第二季度還是第三季度）。因此，預計商業 N3E 芯片將在 2023 年底或 2024 年初上市。

N3P、N3S 和 N3X：性能、密度、電壓

N3 的改進並不止於 N3E。台積電將在 2024 年左右的某個時間推出 N3P，這是其製造工藝的性能增強版本，以及 N3S，該節點的密度增強版本。不幸的是，台積電目前沒有透露這些變體將提供哪些改進到基線 N3。事實上，此時台積電在其路線圖的所有版本中甚至都沒有展示 N3S，因此嘗試猜測其特性確實不是一個好生意。

最後，對於那些無論功耗和成本都需要超高性能的客户，台積電將提供N3X，它本質上是N4X的意識形態接班人。同樣，台積電沒有透露有關該節點的詳細信息，只是表示它將支持高驅動電流和電壓。我們可能會推測 N4X 可以使用背面供電，但由於我們談論的是基於 FinFET 的節點，而台積電只會在基於納米片的 N2 中實現背面供電軌，我們不確定情況是否如此。儘管如此，在電壓增加和性能增強方面，台積電可能有許多優勢。

FinFlex：N3 的秘訣

説到增強功能，我們絕對應該提到台積電 N3 的秘訣：FinFlex 技術。簡而言之，FinFlex 允許芯片設計人員精確地定製他們的構建模塊，以實現更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

當使用基於 FinFET 的節點時，芯片設計人員可以在使用不同晶體管的不同庫之間進行選擇。當開發人員需要以性能為代價來最小化裸片尺寸並節省功耗時，他們會使用雙柵極單鰭 (2-1) FinFET（見圖）。但是，當他們需要在芯片尺寸和更高功率的權衡下最大限度地提高性能時，他們會使用三柵極雙鰭 (3-2) 晶體管。當開發人員需要平衡時，他們會選擇雙柵極雙鰭 (2-2) FinFET。

目前，芯片設計人員必須為整個芯片或 SoC 設計中的整個模塊堅持一種庫/晶體管類型。例如，可以使用 3-2 個 FinFET 來實現 CPU 內核以使其運行更快，或者使用 2-1 個 FinFET 來降低其功耗和佔用空間。

這是一個公平的權衡，但它並不適用於所有情況，尤其是當我們談論使用比現有技術更昂貴的 3 納米級節點時。

對於 N3，台積電的 FinFlex 技術將允許芯片設計人員在一個模塊內混合和匹配不同類型的 FinFET，以精確定製性能、功耗和麪積。對於像 CPU 內核這樣的複雜結構，這樣的優化提供了很多提高內核性能的機會，同時仍然優化了裸片尺寸。因此，我們渴望看到 SoC 設計人員將如何在即將到來的 N3 時代利用 FinFlex。

FinFlex 不能替代節點專業化（性能、密度、電壓），因為工藝技術比單一工藝技術中的庫或晶體管結構有更大的差異，但 FinFlex 看起來是優化性能、功率和成本的好方法台積電的 N3 節點。最終，這項技術將使 FinFET 的靈活性更接近基於納米片的 GAAFET 的靈活性，後者將提供可調節的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。

與台積電的 N7 和 N5 一樣，N3 將成為世界上最大的半導體對比度製造商的另一個持久節點系列。尤其是隨着台積電在 2nm 階段轉向基於納米片的 GAAFET，3nm 系列將成為該公司“經典”前沿 FinFET 節點的最後一個系列，許多客户將堅持使用幾年（或者更多）。

反過來，這也是台積電為不同應用準備多個版本的 N3 以及 FinFlex 技術的原因，以便為芯片設計人員的設計提供一些額外的靈活性。

首批 N3 芯片將在未來幾個月內投入生產，並於 2023 年初上市。同時，台積電在 2025 年推出 N2 工藝技術後，仍將繼續使用其 N3 節點生產半導體。

成熟產能擴產50%

台積電今天下午透露，到 2025 年，其成熟和專業節點的產能將擴大約 50%。該計劃包括在中國台灣、日本和中國大陸建設大量新晶圓廠。此舉將進一步加劇台積電與格芯、聯電、中芯國際等芯片代工廠商之間的競爭。

當我們在 AnandTech 談論硅光刻技術時，我們主要介紹用於生產先進 CPU、GPU 和移動 SoC 的前沿節點，因為這些都是推動進步的設備。但是有數百種設備是基於成熟或專業的工藝技術製造的，這些設備與那些複雜的處理器一起使用，或者為對我們的日常生活產生重大影響並且近年來變得越來越重要的新興智能設備提供動力。

近年來，各種計算和智能設備的需求激增，引發了全球芯片供應危機，進而影響到汽車、消費電子、PC和眾多相鄰行業。

現代智能手機、智能家電和個人電腦已經使用了數十種芯片和傳感器，而這些芯片的數量（和複雜性）只會越來越多。這些零件使用更先進的專業節點，這也是台積電等公司必須擴大原本“舊”節點的產能以滿足未來幾年不斷增長的需求的原因之一。

但還有另一個市場即將爆發：智能汽車。汽車已經使用了數百個芯片，汽車的半導體含量也在不斷增長。據估計，幾年後每輛汽車的芯片數量將達到 1,500 個左右——而且必須有人制造它們。這就是為什麼台積電的競爭對手 GlobalFoundries 和中芯國際在過去幾年一直在增加對新產能的投資。

台積電在半導體行業擁有最大的資本支出預算（僅受到三星的挑戰），近年來對其成熟和專業的節點生產計劃相對安靜。但在 2022 年台積電技術研討會上，該公司正式概述了其計劃。

該公司正在為成熟和專業節點投資四個新設施：

位於日本熊本的Fab 23 第一期 。該半導體制造工廠將使用台積電的 N12、N16、N22 和 N28 節點製造芯片，並將擁有每月高達 45,000 片 300 毫米晶圓的生產能力。台灣台南 Fab 14 第 8 期。台灣高雄 Fab 22 二期。位於中國南京的 Fab 16 1B 期。台積電目前在中國生產其 N28 芯片，不過曾有傳言稱新階段能夠使用更先進的節點製造芯片。

在未來三年內將成熟/專業化產能提高 50% 對公司來説是一個重大轉變，這將提高台積電在市場上的競爭地位。或許更重要的是，該公司的專業節點主要基於其通用節點，這允許至少一些公司將他們曾經為計算或 RF 開發的 IP 重新用於新應用程序。

“[我們的] 專業技術非常獨特，因為它基於通用技術平台 [邏輯技術平台]，因此我們的獨特策略是讓我們的客户共享或重用許多 [通用] IP，”台積電業務發展副總裁、高級工程師 Kevin Zhang 説。“例如，你有射頻能力，你在通用邏輯平台上構建射頻，但後來你發現’嘿，有人需要所謂的 ULV 功能來支持物聯網產品應用。’ 您想在一個通用平台上構建它，這樣您就可以允許不同的產品線能夠全面共享 IP，這對我們的客户非常重要，因此我們確實希望提供一個集成平台來滿足客户的市場需求產品視角。

還有其他優點。例如，台積電的 N6RF 允許芯片設計人員將高性能邏輯與 RF 相結合，從而使他們能夠構建調制解調器等產品和其他更獨特的解決方案。許多公司已經熟悉 TSMC 的 N6 邏輯節點，因此現在他們有機會將 RF 連接添加到受益於高性能的產品中。GlobalFoundries 也有類似的做法，但由於美國的代工廠沒有任何東西可以與台積電的 N6 相提並論，因此台積電在這方面具有無可爭辯的優勢。

憑藉其成熟節點和專業技術的通用平台方法，以及增加 50% 的容量，台積電將能夠在未來幾年為全球提供更多用於智能和連接設備的芯片。此外，它還將通過顯著增加公司來自成熟和專業節點的收入以及增加對競爭對手的壓力來使台積電受益。

2024年引入High NA EUV光刻機

台積電高管週四表示，這家全球最大的芯片製造商將在 2024 年擁有下一個版本的 ASML Holding NV 最先進的芯片製造工具。

這種名為“high-NA EUV”的工具產生聚焦光束，在用於手機、筆記本電腦、汽車和人工智能設備（如智能揚聲器）的計算機芯片上創建微觀電路。EUV 代表極紫外，即 ASML 最先進機器使用的光波長。

“台積電將在 2024 年引入高 NA EUV 掃描儀，以開發客户所需的相關基礎設施和圖案化解決方案，以推動創新，”台積電研發高級副總裁 YJ Mii 在硅谷舉行的台積電技術研討會上表示。

Mii沒有透露該設備何時用於大規模生產，該設備是用於製造更小更快芯片的第二代極紫外光刻工具。台積電的競爭對手英特爾公司表示，它將在 2025 年之前將這些機器投入生產，並且它將是第一家收到該機器的公司。

隨着英特爾進入其他公司設計的芯片製造業務，它將與台積電競爭這些客户。

台積電業務發展高級副總裁張凱文澄清説，台積電不會在 2024 年準備好使用新的High NA EUV 工具進行生產，但它將主要用於與合作伙伴的研究。

“台積電在 2024 年擁有它的重要性意味着他們可以更快地獲得最先進的技術，”參加研討會的 TechInsights 的芯片經濟學家 Dan Hutcheson 説。

“High-NA EUV 是技術的下一個重大創新，它將使芯片技術處於領先地位，”Hutcheson 説。

**來源：**內容由半導體行業觀察（ID：icbank）原創

**作者：**anandtech