詳解臺積電代工廠(chǎng)未來(lái)規劃

在過(guò)去的一年里，我有機會(huì )向每家大型代工廠(chǎng)詢(xún)問(wèn)他們未來(lái)的計劃。這一系列中最新的是臺積電，這是他們最近宣布路線(xiàn)圖和即將推出的工藝節點(diǎn)技術(shù)的一部分。作為全球領(lǐng)先的尖端和 EUV 邏輯制造商，以及封裝絕大多數大型 AI 芯片的公司，臺積電在過(guò)去幾年中面臨著(zhù)快速和大規模執行的壓力。作為對下一代技術(shù)的承諾的一部分，該公司宣布了其 A16 工藝節點(diǎn)、Super Power Rail（背面供電的營(yíng)銷(xiāo)名稱(chēng)）、進(jìn)軍共封裝光學(xué)器件和晶圓上硅技術(shù)，利用對最大芯片更大基板的需求。這是我關(guān)于這些公告的最新視頻。

這些消息是在今年早些時(shí)候臺積電的美國技術(shù)研討會(huì )上宣布的。該研討會(huì )是一次路演，涵蓋了該公司的各個(gè)大洲和主要市場(chǎng)。就在歐盟研討會(huì )之前，我有機會(huì )與臺積電高級副總裁兼副聯(lián)席首席運營(yíng)官張凱文博士進(jìn)行了一次采訪(fǎng)。我們討論了廣泛的話(huà)題，從張凱文對摩爾定律的看法，到市場(chǎng)在人工智能的重壓下發(fā)生了怎樣的變化（以及人工智能的激活）。

下面是采訪(fǎng)的摘要。

問(wèn)：當首席執行官們介紹計算的未來(lái)時(shí)，有些人會(huì )說(shuō)摩爾定律已經(jīng)失效了。他們說(shuō)他們必須在架構方面進(jìn)行創(chuàng )新，因為他們從封裝和工藝節點(diǎn)技術(shù)中獲益不多。臺積電對此持什么立場(chǎng)？

答：嗯，我的回答很簡(jiǎn)單：我不在乎。只要我們能夠繼續推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，我不在乎摩爾定律是否有效。

但現實(shí)是，許多人只是基于二維縮放對摩爾定律進(jìn)行了狹隘的定義——現在情況已不再如此?？纯次覀冃袠I(yè)的創(chuàng )新炒作，我們實(shí)際上仍在繼續尋找不同的方法，將更多功能和更多能力集成到更小的外形尺寸中。我們繼續實(shí)現更高的性能和更高的能效。因此從這個(gè)角度來(lái)看，我認為摩爾定律或技術(shù)縮放將繼續存在。我們將繼續創(chuàng )新，推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。

問(wèn)：那么我們是否應該重新定義摩爾定律？我們是否應該制定一條新定律？

答：（笑）我讓別人來(lái)定義吧。

問(wèn)：臺積電以漸進(jìn)式的工藝節點(diǎn)更新而聞名——主要工藝節點(diǎn)是主要節點(diǎn)，然后是在此節點(diǎn)上不斷迭代的小變化。您認為臺積電的成功有多少歸功于這種漸進(jìn)式策略？

答：嗯，我不太喜歡“漸進(jìn)”這個(gè)詞！如果你看看我們的技術(shù)路線(xiàn)圖，從 5nm 到 3nm，現在從 3nm 到 2nm，如果你看看能源效率的提高，你會(huì )發(fā)現它不是漸進(jìn)式的。每代都超過(guò) 30%。但在主要節點(diǎn)之間，我們將繼續推動(dòng)漸進(jìn)式增強。我們這樣做的原因是，我們允許我們的客戶(hù)繼續從每一代新技術(shù)中獲得擴展效益。所以在主要節點(diǎn)之間——是的，我們繼續推動(dòng)漸進(jìn)式。但在主要節點(diǎn)之間，增強，或者說(shuō)功率、性能、密度的改進(jìn)是非常顯著(zhù)的。

問(wèn)：是不是因為當客戶(hù)進(jìn)入主要節點(diǎn)時(shí)，他們需要大量的前期成本來(lái)開(kāi)發(fā)芯片？通過(guò)利用這些主要節點(diǎn)的更新，他們可以利用相同或至少類(lèi)似的設計，而不必花費一大筆錢(qián)？

答：沒(méi)錯。例如，在我們的客戶(hù)升級到 5nm 后，他們可以繼續利用從 N5 到 N5P 的增量增強，當獲得性能提升后，您就可以轉到 N4 和 N4P，并獲得進(jìn)一步的密度改進(jìn)。因此，在您跳到主要節點(diǎn)后，這些增量增強使我們的客戶(hù)能夠繼續收獲擴展優(yōu)勢和他們前期的投資。

問(wèn)：主要節點(diǎn)的這些增強有多少是來(lái)自?xún)炔砍稣驹O計，有多少是來(lái)自入站客戶(hù)需求？

答：我們與客戶(hù)密切合作，選擇正確的技術(shù)節點(diǎn)來(lái)****他們的產(chǎn)品。這通?；谔囟ǖ漠a(chǎn)品設計，以了解他們在哪里可以最大限度地實(shí)現最佳產(chǎn)品水平效益。因此，我們與客戶(hù)密切合作，做出正確的選擇。

問(wèn)：您有收到過(guò)顧客什么令人驚奇的要求嗎？

答：不會(huì )。我們不想讓客戶(hù)感到意外。我們實(shí)際上與他們密切合作——我們對客戶(hù)保持開(kāi)放，以確保他們選擇正確的技術(shù)。請記住，我們采用的是代工業(yè)務(wù)模式。我們的目標是幫助客戶(hù)實(shí)現成功的產(chǎn)品。我的老板經(jīng)常告訴我：“凱文，你知道，我們從事代工業(yè)務(wù)，我們共同努力，取得成功，但有一個(gè)順序，客戶(hù)必須先成功，然后我們才能成功?！?/p>

問(wèn)：我們現在正在參加臺積電歐盟技術(shù)研討會(huì )；你們剛剛舉行了美國研討會(huì )。主要公告是新的主要節點(diǎn) A16，以及這一代也將推出的全新 Super Power Rail 技術(shù)。這些帶來(lái)了什么？

答：A16 是一項重大的技術(shù)改進(jìn)，在為未來(lái)的高性能應用（尤其是針對 HPC 和 AI 的應用）帶來(lái)更多功能和性能方面具有革命性。A16 采用納米片晶體管，這是業(yè)界領(lǐng)先且最先進(jìn)的晶體管架構。

同時(shí)，我們還增加了一個(gè)非常創(chuàng )新的背面電源軌設計。這種背面電源軌設計允許客戶(hù)將電源布線(xiàn)從正面移到背面，從而騰出空間來(lái)提高性能，同時(shí)改善電源。我們的方法與傳統的 BSPDN 設計非常不同 - 在傳統的背面電源軌中，你只需鉆孔即可將背面金屬連接到正面金屬。這樣做會(huì )占用空間，并且必須擴大庫單元的占用空間。但在我們的設計中，我們采用了非常創(chuàng )新的方法 - 我們將觸點(diǎn)或晶體管、晶體管的源極移到背面，而不會(huì )改變庫單元的占用空間。因此，這種巧妙的方法使我們能夠保持占用空間，并為客戶(hù)提供最大的靈活性

問(wèn)：這是否意味著(zhù)為了實(shí)現這一目標，傳統的制造步驟會(huì )有些混亂？

答：我不想談?wù)撨@個(gè)具體的過(guò)程步驟，因為我們的研發(fā)團隊不會(huì )很高興，但是可以。

問(wèn)：它就像三明治設計，晶體管、信號和電源。這肯定會(huì )增加很多制造成本吧？

答：當然，這肯定會(huì )產(chǎn)生相關(guān)成本，但如果你看看密度、功率和性能優(yōu)勢，我認為它的價(jià)值超過(guò)了成本。這對于高性能計算和人工智能應用尤其重要，因為節能計算是關(guān)鍵驅動(dòng)因素。

問(wèn)：那么如果有人選擇 A16 節點(diǎn)，他們是否必須攜帶 Super Power Rail？

答：A16 按照定義將擁有超級電源軌，是的。但我們確實(shí)提供了技術(shù)選項，使我們的客戶(hù)能夠繼續利用現有的設計資料，而不必使用背面電源。例如，在電源布線(xiàn)不那么密集的移動(dòng)應用中，您不必使用背面電源。

問(wèn)：通常在這些活動(dòng)中，無(wú)論是您還是您的競爭對手，都會(huì )在生產(chǎn)前幾年發(fā)布公告。那么，我們預計 A16 會(huì )在什么時(shí)候推出呢？

答：因此，我們的目標是在 2026 年下半年為主要客戶(hù)投入 A16 生產(chǎn)。

問(wèn)：這是否意味著(zhù)您現在大致處于 PDK 的 0.1 版本？

答：我不想詳細闡述我們的抵押品計劃，但總的來(lái)說(shuō)，我們的抵押品計劃是針對客戶(hù)生產(chǎn)天數而設計的。正如我之前所說(shuō)，我們希望 A16 能在 2026 年下半年投入生產(chǎn)。因此，我們的抵押品計劃將支持這種計劃。

問(wèn)：我們預計所有產(chǎn)品都將在臺灣生產(chǎn)嗎？

A：A16將在臺灣首發(fā)。

問(wèn)：去年，你們引入了 FINFLEX 這一術(shù)語(yǔ)，即利用 N3 并優(yōu)化鰭片數量以決定是需要高性能還是高效率?，F在你們正在使用 N2 實(shí)現 NanoFlex。NanoFlex 與我們理解的 FINFLEX 有何不同？

答：這是一種非常創(chuàng )新的方法。您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO)，我們將繼續推動(dòng)設計與技術(shù)之間的協(xié)作，以進(jìn)一步優(yōu)化我們的技術(shù)產(chǎn)品。對于 FINFLEX，在鰭式晶體管架構中，鰭片的數量是數字化的。因此，在過(guò)去，在這種創(chuàng )新的 FINFLEX 方法出現之前，您必須使用三個(gè)鰭片或四個(gè)鰭片，您無(wú)法輕松交換它們。我們的 3nm FINFLEX 技術(shù)允許設計人員混合搭配不同的基于鰭片的庫設計，但對于納米片，我們稱(chēng)之為 NanoFlex。這是一個(gè)類(lèi)似的想法，允許設計人員混合搭配不同高度的庫，但它們的片寬度不同，因此您可以交替使用不同的尺寸。不同高度的庫將允許設計人員根據特定的設計目標進(jìn)行選擇，以實(shí)現最佳效益，從而實(shí)現更高的功率、更高的性能和更高的密度。

問(wèn)：那么納米片結構仍然有三片高，這似乎是行業(yè)標準？

答：是的，但您可以改變紙張寬度，這決定了圖書(shū)館的高度。

問(wèn)：那么顯然意味著(zhù)你們也有不同的 VT 選項？NanoFlex 和 VT？

答：是的，作為一名設計師，你確實(shí)有很多選擇！

問(wèn)：CoWoS（晶圓基板芯片）需求旺盛，NVIDIA、AMD、英特爾的需求量都很大。你們在多大程度上能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求？CoWoS 的擴張進(jìn)展如何？

答：對我們來(lái)說(shuō)，CoWoS 是 AI 加速器的主力。如果你看看當今所有的大型 AI 加速器設計，它們幾乎都是基于臺積電 N5 或 N4 技術(shù)加上 CoWoS。CoWoS 的需求量很大！去年，AI 的激增讓包括我們在內的很多人措手不及。CoWoS 的需求在過(guò)去一年中大幅增長(cháng)。

我們現在正在迅速擴大我們的 CoWoS 產(chǎn)能，我認為我們所說(shuō)的復合年增長(cháng)率遠高于 60%。這個(gè)數字非常高，但仍在繼續增長(cháng)。我們與客戶(hù)密切合作，確保滿(mǎn)足他們最關(guān)鍵的需求。但這是產(chǎn)能方面，CoWoS，即內部能力。我們也在擴大我們的 CoWoS 能力。

如果您看看當今最先進(jìn)的 AI 加速器，就會(huì )發(fā)現 CoWoS 中介層尺寸大約是光罩尺寸的 3 倍，而光罩尺寸約為 800 平方毫米-這提供了集成全光罩尺寸 SoC 以及最多 8 個(gè) HBM 堆棧的能力。但在未來(lái)，也就是兩年后，我們將能夠將中介層尺寸擴大到光罩尺寸的 4.5 倍，讓我們的客戶(hù)能夠集成最多 12 個(gè) HBM 堆棧。我們不會(huì )止步于此。我們的研發(fā)團隊已經(jīng)開(kāi)始將 CoWoS 中介層尺寸擴大到光罩尺寸的 7 倍或 8 倍。

問(wèn)：12 個(gè) HBM 堆棧夠用嗎？我一直聽(tīng)說(shuō)人們想要更多。

答：在本次研討會(huì )上，我們還宣布了另一項創(chuàng )新的系統級集成技術(shù)，我們稱(chēng)之為晶圓系統 (SoW)。如果你仔細想想，晶圓加工設備所能制造的最大尺寸是單個(gè) 300 毫米晶圓，因此我們將晶圓作為基礎層，并將所有邏輯和高帶寬 DRAM 整合在一起，以集成整個(gè)晶圓區域。因此，如果你使用 CoWoS 術(shù)語(yǔ)來(lái)衡量，中介層尺寸的“X”數是 40 倍，非常龐大。這就是我們?yōu)榭蛻?hù)提供的服務(wù)，以繼續集成更多計算功能和更多內存帶寬，以滿(mǎn)足未來(lái)的 AI 需求。

問(wèn)：眾所周知，目前有兩家主要公司（Cerebras 和 Tesla）正在研究晶圓級芯片，而且它們都使用你們的產(chǎn)品。在冷卻和電源管理方面，你們?yōu)榭蛻?hù)提供了多少幫助？

答：我們與客戶(hù)密切合作——我們進(jìn)行晶圓級集成?？蛻?hù)顯然必須設計系統級后端，即如何將冷卻劑引入系統。顯然，您需要進(jìn)行大量合作——我們與系統提供商的客戶(hù)密切合作，共同尋找最佳散熱解決方案。

問(wèn)：這個(gè)晶圓系統預計在 2026/2027 年問(wèn)世嗎？

答：我們已經(jīng)進(jìn)行了有限的生產(chǎn)，但正如您所指出的，您知道會(huì )有更多的 AI 高性能客戶(hù)希望利用這種系統級集成來(lái)滿(mǎn)足他們未來(lái)的需求。

問(wèn)：您說(shuō)的是 3 倍光罩、4.5 倍光罩和 40 倍光罩，那么未來(lái)，由于技術(shù)（高數值孔徑 EUV）的發(fā)展，光罩尺寸必須變得更小，我們是否會(huì )說(shuō)將這個(gè)數字翻倍？

答：我希望我們不必縮小標線(xiàn)尺寸！我們看到的是人們希望將它們全部集成在一起，以便它們能夠緊密協(xié)作。

問(wèn)：那么這是否意味著(zhù)當我們獲得更高效的工藝節點(diǎn)技術(shù)時(shí)，對計算能力的需求總是在增加？您現在說(shuō)我們處于晶圓級封裝。極限在哪里？

答：天空是極限。我認為我們將不斷看到對節能計算的需求趨勢——它是永無(wú)止境的。如果我們談?wù)摰氖侨斯ぶ悄苣Ｐ?nbsp;ChatGPT，GPT4 已經(jīng)使用了很多訓練人工智能芯片。因此，我們將繼續在晶體管級別擴展我們的能力——明年我們將有 3nm，然后我們將轉向 2nm，我們的 A16 將繼續在晶體管級別推動(dòng)節能計算。同時(shí)，我們討論 CoWoS 以擴展晶圓級集成。我們還將把光信號引入封裝中。把所有這些放在一起，我們實(shí)際上是在談?wù)摓榭蛻?hù)提供平臺，使他們能夠集成更多的計算功能和更多的內存帶寬，以滿(mǎn)足未來(lái)的人工智能需求。

問(wèn)：當我與集成板載光學(xué)元件的公司交談時(shí)，他們正在與你們的競爭對手進(jìn)行代工。但你們已經(jīng)從事光學(xué)元件行業(yè)一段時(shí)間了，而且你們擁有這項新技術(shù)。

答：它是緊湊型通用光子引擎，也就是 COUPE 的縮寫(xiě)。

我們從事硅光子學(xué)已經(jīng)有一段時(shí)間了。實(shí)際上，我們已經(jīng)為客戶(hù)制造了組件，他們將硅光子學(xué)與電收發(fā)器組合在一起，形成了數據中心廣泛使用的光學(xué)可插拔收發(fā)器。

但我們今天所做的是更進(jìn)一步，利用我們最先進(jìn)的 3D 堆疊技術(shù)。我們使用混合鍵合技術(shù)將電子芯片和光子芯片更緊密地結合在一起，形成一個(gè)小尺寸的光學(xué)引擎。這就是進(jìn)行電子到光子轉換的地方。我們知道電子擅長(cháng)計算，但光子在信號傳輸方面更勝一籌。因此，通過(guò)構建這種緊湊型光學(xué)引擎，我們將它集成到先進(jìn)的封裝中，無(wú)論是今天的基板，還是未來(lái)可以利用 CoWoS 之類(lèi)的東西將它們結合在一起，以顯著(zhù)提高帶寬和功率效率。如果你看看今天的純銅全電子系統，50Tb/s 交換機可以消耗超過(guò) 2000 瓦的功率。因此，通過(guò)使用這種微小的小型光學(xué)引擎，我們實(shí)際上可以將功率降低至少 40%。因此，這對于以最低功率實(shí)現高數據帶寬非常有效。

問(wèn)：您最終是否會(huì )有一些客戶(hù)想要晶圓級技術(shù)，而一些客戶(hù)則想要光學(xué)技術(shù)？

答：是的，但我認為關(guān)鍵是將它們結合在一起，因為計算仍然必須由電子完成。

問(wèn)：所以你說(shuō)的是擁有兩個(gè)獨立的芯片，即電子芯片和光學(xué)芯片，并使用最先進(jìn)的混合鍵合技術(shù)將它們鍵合在一起，而一些公司表示我們實(shí)際上希望將所有這些都放在同一個(gè)芯片上。你們能做到嗎？

答：在先進(jìn)的電子芯片上實(shí)現某些光子特性非常困難，單片芯片也很難實(shí)現。但是，我認為通過(guò)使用我們的混合鍵合技術(shù)，我們可以實(shí)現幾乎與單片解決方案類(lèi)似的連接性和功率效率，同時(shí)它還允許我們分別優(yōu)化電子芯片和光子芯片。我認為這就是兩全其美的方法。

問(wèn)：您談到了用于網(wǎng)絡(luò )方面的可插拔收發(fā)器，但我們在這里討論的更多是集成光子學(xué)、直接將芯片對芯片集成到封裝中。那么可插拔版本呢？

答：實(shí)際上，現在已有可插拔版本，如果你看看今天的數據中心，你會(huì )發(fā)現，使用可插拔版本是主流做法。在板級，是的。因此，你可以在板級將電子轉換為光子。因此，未來(lái)，你將在芯片內進(jìn)行轉換。因此，從芯片發(fā)出的信號已經(jīng)將電子轉換為光子。這就是效率所在。

問(wèn)：但是它能實(shí)現可插入嗎？

答：它已經(jīng)是可插拔的；它有一個(gè)光纖，你可以把它插入你的芯片。你只是不想把它拿出來(lái)！

問(wèn)：我最近參觀(guān)了一家晶圓廠(chǎng)，看到了 ASML 最新最棒的產(chǎn)品——新一代高數值孔徑 EUV 機器。英特爾在談?wù)撨@項技術(shù)時(shí)直言不諱，并表示他們想成為第一個(gè)部署這項技術(shù)的公司。臺積電在高數值孔徑方面的官方立場(chǎng)是什么？

答：讓我們回顧一下——臺積電在將 EUV 引入大批量生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位?；氐轿覀兊?7nm 代，我們是業(yè)內第一個(gè)將 EUV 引入 HVM（大批量生產(chǎn)）環(huán)境的公司。就 EUV 的生產(chǎn)使用和生產(chǎn)效率而言，我們今天仍然處于領(lǐng)先地位。我認為我們的研發(fā)團隊將繼續研究新的 EUV 功能，顯然包括高 NA EUV。我們將選擇正確的位置來(lái)****我們的技術(shù)節點(diǎn)。你必須考慮很多因素，顯然是可擴展性因素，還有成本可制造性因素。

問(wèn)：你們還討論了擴大全球生產(chǎn)，并宣布在全球建立多家新工廠(chǎng)。進(jìn)展如何？

答：進(jìn)展非常順利，而且速度也非?？??？纯次覀兊闹圃熳阚E，就會(huì )發(fā)現它已經(jīng)擴大了不少。僅在過(guò)去幾年，我們的亞利桑那州工廠(chǎng)就迅速擴張。我們建造了第一家專(zhuān)注于 4nm 的工廠(chǎng)，明年將投入生產(chǎn)。我們還在那里建造了第二家工廠(chǎng)，并宣布在那里建造第三家工廠(chǎng)。我們將繼續將最先進(jìn)的節點(diǎn)帶到北美，因為那里是我們最大的客戶(hù)群。從 4nm 到 3nm，再到 2nm，甚至未來(lái)的 A16。這非常令人興奮！

與此同時(shí)，我們正在日本和歐洲拓展我們的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。在日本，熊本項目進(jìn)展順利，我們將在今年下半年投產(chǎn)。我們將引進(jìn)最先進(jìn)的 MCU 嵌入式非易失性存儲器，這對歐洲的汽車(chē)行業(yè)非常重要。

問(wèn)：這是否以某種方式延伸到封裝？

答：我們正在評估這個(gè)選擇，但與此同時(shí)，我認為現在我們正在與我們的合作伙伴密切合作，以提高在美國的生產(chǎn)能力。

問(wèn)：因為我們正在談?wù)搶θ斯ぶ悄芎蜋C器學(xué)習的需求，您是否通過(guò)您的客戶(hù)看到臺積電的研發(fā)更加側重于滿(mǎn)足這些客戶(hù)的需求？

答：人工智能正在成為全球主要的技術(shù)平臺，消耗著(zhù)最先進(jìn)的硅片。但別忘了移動(dòng)領(lǐng)域。移動(dòng)領(lǐng)域仍然是一個(gè)大宗消費領(lǐng)域，它也需要最先進(jìn)的技術(shù)。因此，我們正在通過(guò)針對不同應用和細分市場(chǎng)的優(yōu)化技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足所有需求。我們的研發(fā)部門(mén)與不同應用領(lǐng)域的不同客戶(hù)密切合作。所以我認為這是一件非常令人興奮的事情。我們將繼續推動(dòng)我們的技術(shù)定制，以滿(mǎn)足未來(lái)的產(chǎn)品需求。