臺積電深度披露2nm、3nm技術(shù)演進(jìn)

在昨天的 2023 年北美技術(shù)研討會(huì )上，臺積電披露了有關(guān)其即將在 2025 年至 2026 年及以后推出的 N2 2nm 生產(chǎn)節點(diǎn)計劃的更多詳細信息。臺積電的 N2 系列制造技術(shù)將擴展其他變化，包括具有背面供電功能的 N2P 和用于高性能計算的 N2X。在這些即將推出的 N2 代工藝節點(diǎn)之間，臺積電正在制定路線(xiàn)圖，以繼續其提高晶體管性能效率，優(yōu)化功耗和提高晶體管密度的不懈步伐。

N2 變得更密集

臺積電去年推出的初始 N2 制造工藝將成為代工廠(chǎng)第一個(gè)使用全能柵極（GAAFET）晶體管的節點(diǎn)，臺積電稱(chēng)之為納米片晶體管。GAAFET 與當前的 FinFET 晶體管相比的優(yōu)勢包括更低的漏電流（因為通道的所有四個(gè)側面都存在柵極），以及能夠調整通道寬度以獲得更高的性能或更低的功耗。

臺積電在去年推出這項技術(shù)時(shí)表示，在相同的功率和復雜性下，它將使晶體管性能提高 10% 至 15%，或者在相同的時(shí)鐘和晶體管數量下將功耗降低 25% 至 30%。該公司還表示，N2 將提供比 N3E 高 15% 以上的「混合」芯片密度，這比去年宣布的 10% 的密度增加有所增多。

該公司表示，N2 技術(shù)開(kāi)發(fā)正在按計劃進(jìn)行，該節點(diǎn)將在 2025 年（可能是 2025 年下半年）進(jìn)入大批量生產(chǎn)。該公司還表示，在進(jìn)入 HVM 的兩年前，其 Nanosheet GAA 晶體管性能達到了其目標規格的 80% 以上，256Mb SRAM 測試 IC 的平均良率超過(guò) 50%。

「臺積電納米片技術(shù)展示了出色的電源效率和更低的 Vmin，最適合節能計算范式，」臺積電的一份聲明中寫(xiě)道。

N2P 在 2026 年獲得背面供電

臺積電的 N2 系列將在 2026 年的某個(gè)時(shí)候發(fā)展，屆時(shí)該公司計劃推出其 N2P 制造技術(shù)。N2P 將為 N2 的 Nanosheet GAA 晶體管添加背面電源軌。

背面供電旨在通過(guò)將電源軌移動(dòng)到背面來(lái)解耦 I/O 和電源線(xiàn)，從而解決諸如后端（BEOL）中電阻升高等挑戰。反過(guò)來(lái)，這將提高晶體管性能并降低其功耗。此外，背面供電消除了數據和電源連接之間的一些潛在干擾。

背面供電是一種創(chuàng )新，其重要性怎么強調都不為過(guò)。多年來(lái)，芯片制造商一直在與芯片供電電路中的阻力作斗爭，而后端供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）是解決這些問(wèn)題的另一種方法。此外，去耦 PDN 和數據連接也有助于縮小面積，因此與 N2 相比，N2P 有望進(jìn)一步提高晶體管密度。

目前，臺積電尚未透露有關(guān) N2P 的性能，功耗和面積（PPA）優(yōu)于 N2 的任何數字。但根據我們從行業(yè)消息來(lái)源聽(tīng)到的消息，僅背面電源軌就可以帶來(lái)個(gè)位數的功率改進(jìn)和兩位數的晶體管密度改進(jìn)。

臺積電表示，N2P 有望在 2026 年投入生產(chǎn)，因此我們可以推測，第一批基于 N2P 的芯片將在 2027 年上市。這個(gè)時(shí)間表將使臺積電在后端電源方面落后競爭對手英特爾大約兩年，假設他們能夠在 2024 年按時(shí)交付自己的 20A 工藝。

N2X：更高的性能

除了可能成為臺積電 2nm 代工藝的主力軍的 N2P 之外，臺積電還在準備 N2X。這將是為高性能計算（HPC）應用量身定制的制造工藝，如高端 CPU，這些應用需要增加電壓和時(shí)鐘。該代工廠(chǎng)沒(méi)有概述該節點(diǎn)與 N2、N2P 和 N3X 相比的具體優(yōu)勢，但與所有性能增強型節點(diǎn)一樣，實(shí)際優(yōu)勢預計將在很大程度上取決于設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）的實(shí)踐程度。

除了發(fā)布一些 2nm 工藝節點(diǎn)計劃的新公告外，臺積電還在北美技術(shù)研討會(huì )上發(fā)布了其 2023 年 N3 系列工藝技術(shù)的進(jìn)展和路線(xiàn)圖更新。作為臺積電的最后一代基于 FinFET 的工藝節點(diǎn)，N3 系列預計將在未來(lái)許多年內以某種形式保持存在，成為不需要更尖端的基于 GAAFET 工藝的客戶(hù)可用的最密集節點(diǎn)。

臺積電在 N3 方面的重大路線(xiàn)圖更新是 N3P 及其高性能變體 N3X。正如臺積電今天透露的那樣，N3P 將是 N3E 的光學(xué)縮小版，與 N3E 相比，提供增強的性能，更低的功耗和更高的晶體管密度，同時(shí)保持與 N3E 設計規則的兼容性。同時(shí)，N3X 將把極致性能與 3nm 級密度相結合，為高性能 CPU 和其他處理器提供更高的時(shí)鐘速度。

N3E：適合所有人的 3nm 按計劃進(jìn)行

臺積電的 N3（3nm 級）工藝技術(shù)系列由多種變體組成，包括基準 N3（又名 N3B），降低成本的寬松 N3E，增強性能和芯片密度的 N3P，以及具有更高電壓容差的 N3X。去年，該公司還談到了晶體管密度最大化的 N3S，但今年該公司仍然對這個(gè)節點(diǎn)守口如瓶，在其幻燈片中沒(méi)有提到它。

臺積電的原版 N3 節點(diǎn)具有多達 25 個(gè) EUV 層，臺積電在其中的一些上使用 EUV 雙圖案，以實(shí)現比 N5 更高的邏輯和 SRAM 晶體管密度。EUV 步驟通常很昂貴，而 EUV 雙重圖案化進(jìn)一步推高了這些成本，這就是為什么這種制造工藝只被少數不關(guān)心所需高額費用的客戶(hù)使用的原因。

臺積電的大多數客戶(hù)對 3nm 級工藝感興趣，預計將使用寬松的 N3E 節點(diǎn)，據臺積電稱(chēng)，該節點(diǎn)正在按計劃實(shí)現其性能目標。N3E 使用多達 19 個(gè) EUV 層，完全不依賴(lài) EUV 雙重圖案，降低了其復雜性和成本。代價(jià)是 N3E 提供的邏輯密度低于 N3，并且 SRAM 單元尺寸與臺積電的 N5 節點(diǎn)相同，因此對于那些追求密度/面積增益的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，它的吸引力較小?？傮w而言，N3E 承諾提供更寬的工藝窗口和更好的良率，這是芯片制造中的兩個(gè)關(guān)鍵指標。

「N3E 在良率，工藝復雜性方面將優(yōu)于 N3，這直接轉化為更寬的工藝窗口，」臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang 說(shuō)。N3P：更高的性能，更高的晶體管密度

在 N3E 之后，臺積電將繼續使用 N3P 優(yōu)化 N3 系列的晶體管密度，N3P 將通過(guò)提供改進(jìn)的晶體管特性建立在 N3E 的基礎上。改進(jìn)的工藝節點(diǎn)將使芯片設計人員能夠在相同的泄漏下將性能提高 5%，或者在相同的時(shí)鐘下將功耗降低 5% ~ 10%。新節點(diǎn)還將為「混合」芯片設計增加 4% 的晶體管密度，臺積電將其定義為由 50% 邏輯、30% SRAM 和 20% 模擬電路組成的芯片。

作為 N3P 討論的一部分，臺積電強調，密度改進(jìn)是通過(guò)調整其掃描儀的光學(xué)性能來(lái)實(shí)現的。因此，臺積電很可能能夠縮小所有類(lèi)型的芯片結構，這將使 N3P 成為 SRAM 密集型設計的有吸引力的節點(diǎn)。

「N3P 是一種性能提升，它的性能提高了 5%，至少比 N5E 高 3%，」張解釋說(shuō)。它還具有 2% 的光學(xué)收縮，使晶體管密度達到 1.04 倍。

由于 N3P 是 N3E 的光學(xué)收縮，它將保留 N3E 的設計規則，使芯片設計人員能夠在新節點(diǎn)上快速復用 N3E IP。因此，N3P 也有望成為臺積電最受歡迎的 N3 節點(diǎn)之一，預計 Cadence 和 Synopsys 等 IP 設計公司將為該工藝技術(shù)提供各種 IP，從而在此過(guò)程中獲得與現有 N3E 向前兼容的好處。臺積電表示，N3P 將于 2024 年下半年投入生產(chǎn)。

N3X：最高性能和密度

最后，對于 CPU 和 GPU 等高性能計算應用的開(kāi)發(fā)人員，臺積電在過(guò)去幾代中一直提供其 X 系列高壓，以性能為中心的節點(diǎn)。正如在去年的活動(dòng)中披露的那樣，N3 系列將獲得自己的 X 變體，其名稱(chēng)恰如其分地命名為 N3X 節點(diǎn)。

與 N3E 相比，N3X 預計將提供至少 5% 的時(shí)鐘速度比 N3P 高。這是通過(guò)使節點(diǎn)更能耐受更高電壓來(lái)實(shí)現的，允許芯片設計人員提高時(shí)鐘速度以換取更高的整體泄漏。

臺積電聲稱(chēng) N3X 將支持（至少）1.2v 的電壓，這對于 3nm 級制造工藝來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當極端的電壓。反過(guò)來(lái)，泄漏成本是巨大的，臺積電預計，在更平衡的 N250P 節點(diǎn)上，漏電將增加 3%。這強調了為什么 N3X 實(shí)際上僅適用于 HPC 級處理器，并且芯片設計人員需要格外小心以控制其最強大（和耗電）的芯片。

至于晶體管密度，N3X 將提供與 N3P 相同的密度。臺積電尚未評論它是否還將保持與 N3P 和 N3E 的設計規則兼容性。

臺積電當前路線(xiàn)圖中的最后一個(gè) N3 系列節點(diǎn)，該公司表示 N3X 將在 2025 年投入生產(chǎn)。

在會(huì )上，臺積電還披露了 TSMC 3DFabric 先進(jìn)封裝和硅堆疊——TSMC 3DFabric 系統集成技術(shù)的主要新發(fā)展，當中包括：

• 先進(jìn)封裝——為了支持 HPC 應用在單個(gè)封裝中容納更多處理器和內存的需求，臺積電正在開(kāi)發(fā)基板上晶圓上芯片 (CoWoS) 解決方案，其光罩尺寸高達 6 倍（~5,000mm2）RDL 中介層，能夠容納 12 個(gè) HBM 內存堆棧。

• 3D 芯片堆疊——臺積電宣布推出 SoIC-P，這是其集成芯片系統 (SoIC) 解決方案的微凸塊版本，為 3D 芯片堆疊提供了一種經(jīng)濟高效的方式。SoIC-P 補充了 TSMC 現有的用于高性能計算 (HPC) 應用的無(wú)擾動(dòng)解決方案，這些解決方案現在稱(chēng)為 SoIC-X。

• 設計支持——TSMC 推出了 3Dblox? 1.5，這是其開(kāi)放標準設計語(yǔ)言的最新版本，旨在降低 3D IC 設計的門(mén)檻。3Dblox? 1.5 添加了自動(dòng)凸點(diǎn)合成，幫助設計人員處理具有數千個(gè)凸點(diǎn)的大型芯片的復雜性，并有可能將設計時(shí)間縮短數月。

以及使用 N4PRF 突破 CMOS 射頻技術(shù)的極限——除了 2021 年宣布的 N6RF 技術(shù)，臺積電還在開(kāi)發(fā) N4PRF，這是業(yè)界最先進(jìn)的 CMOS 射頻技術(shù)，適用于 WiFi 7 射頻片上系統等數字密集型射頻應用。與 N6RF 相比，N4PRF 在相同速度下支持高 1.77 倍的邏輯密度和低 45% 的邏輯功耗。

臺積電還表示，今年將發(fā)布新軟件，以幫助開(kāi)發(fā)先進(jìn)汽車(chē)計算機芯片的客戶(hù)更快地利用其最新技術(shù)。

臺積電是全球最大的半導體合約制造商。恩智浦半導體和意法半導體等許多汽車(chē)行業(yè)最大的芯片供應商都選擇臺積電制造芯片。但與消費電子產(chǎn)品中的芯片相比，汽車(chē)芯片必須滿(mǎn)足更高的堅固性和壽命標準。臺積電擁有用于汽車(chē)行業(yè)的特殊制造工藝，通常比消費類(lèi)芯片的類(lèi)似工藝晚幾年。

過(guò)去，汽車(chē)芯片公司需要額外的時(shí)間來(lái)為那些專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng )建芯片設計。結果是汽車(chē)芯片可能比最新智能手機中的芯片落后數年。在技術(shù)大會(huì )上，臺積電推出了新軟件，使汽車(chē)芯片設計人員能夠提前兩年左右開(kāi)始設計工作。這將使這些公司能夠使用臺積電 N3 芯片制造技術(shù)的汽車(chē)版本——這是消費設備的當前技術(shù)水平——一旦臺積電在 2025 年推出汽車(chē)級版本。

「從歷史上看，汽車(chē)一直遠遠落后于消費者，」臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang 在新聞發(fā)布會(huì )上表示?！改鞘沁^(guò)去。這使我們的汽車(chē)客戶(hù)能夠更早地開(kāi)始他們的設計——事實(shí)上，比之前早了兩年?！?/span>

Zhang 說(shuō)，在新冠疫情和隨之而來(lái)的汽車(chē)半導體短缺之前，汽車(chē)制造商通常將重要的芯片技術(shù)決策留給供應商。但現在，這些供應商和汽車(chē)制造商經(jīng)常與臺積電直接討論?！杆麄兂浞忠庾R到他們需要直接接觸硅技術(shù)選擇，」Zhang 說(shuō)?！冈谶^(guò)去的幾年里，我親自會(huì )見(jiàn)了許多主要的汽車(chē)業(yè)首席執行官... 我們在前期與他們密切合作?！?/span>