臺積電最新工藝推進計劃
臺積電最新工藝推進計劃
在臺積電2022年技術(shù)論壇上，臺積電公布了7nm至2nm先進制程，以及包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理在內(nèi)的特色工藝的現(xiàn)狀與規(guī)劃等。其中，2nm工藝將在2025年量產(chǎn)。
臺積電表示，過去兩年COVID-19加速了數(shù)字化轉(zhuǎn)型，且隨著電子裝置變得更智能、更高度連接，面對更具智能性的邊緣裝置和大規(guī)模運算能力的需求，高能效、低能耗變得對邊緣裝置尤為重要，而結(jié)構(gòu)性增?導(dǎo)致了先進和成熟工藝制程供不應(yīng)求。因此，臺積公司不斷增加研發(fā)投資，以提供最好的技術(shù)，并持續(xù)擴大對先進工藝制程和成熟工藝制程產(chǎn)能的投資。
2nm工藝將在2025年量產(chǎn)
以穩(wěn)定和可預(yù)測的速度提供領(lǐng)先業(yè)界的技術(shù)發(fā)展，強化每個工藝技術(shù)的性能、功耗和密度(PPA)，同時保持設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)硅智財?shù)脑倮?，是臺積電在先進技術(shù)方面的目標(biāo)。
具體來看臺積電的工藝推進計劃:
7納米家族:
臺積公司采用N7和N6技術(shù)的客戶產(chǎn)品組合不斷擴大，從智能手機、CPU、GPU和XPU，延伸至射頻和消費電子應(yīng)用。2022年底以前，產(chǎn)品設(shè)計定案的累積數(shù)量將超過400。
5納米家族:
臺積公司的5納米技術(shù)已經(jīng)進入量產(chǎn)的第三年，支持智能手機、5G、AI、網(wǎng)絡(luò)和高性能計算產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品應(yīng)用。臺積電將大量生產(chǎn)的經(jīng)驗不僅應(yīng)用于良率的提高，還應(yīng)用于性能、設(shè)計規(guī)則和芯片密度的提升。通過持續(xù)提升N5和N4技術(shù)，預(yù)計到今年年底將有超過150個產(chǎn)品設(shè)計定案。
目前，臺積電已經(jīng)將N4、N4P和N4X技術(shù)加入其5納米家族，為即將到來的5納米產(chǎn)品提供持續(xù)的PPA升級。據(jù)悉，從N5到N4X，性能提升了15%，芯片密度提高了6%，同時保持設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)設(shè)計再利用、更多功能和更佳的規(guī)格提升。
2021年，臺積電推出了半導(dǎo)體技術(shù)針對汽?產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的升級N5A，計劃在今年第三季通過AEC-Q100 Grade-2認(rèn)證。
3納米家族:
臺積電3納米工藝技術(shù)持續(xù)采用FinFET半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為此工藝的性能和技術(shù)成熟度將最能夠滿足產(chǎn)業(yè)的需求。N3工藝按計劃順利推進，將于2022年下半年量產(chǎn)，N3E將隨后于2023年下半年量產(chǎn)。
今年，臺積電在3納米技術(shù)上推出了TSMC FINFLEXTM架構(gòu)這一創(chuàng)新，它結(jié)合了工藝制程和設(shè)計的創(chuàng)新，提供了極致的設(shè)計彈性，從而優(yōu)化高性能、低功耗或達(dá)到兩者的平衡。它提供了顯著的芯片設(shè)計優(yōu)勢和彈性，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了強大的平臺。我們知道，減少鰭片數(shù)量對提升PPA至關(guān)重要。臺積公司的FINFLEX創(chuàng)新是一個關(guān)鍵性的突破，通過混合不同的組件高度，在一個設(shè)計區(qū)塊中實現(xiàn)不同的組件高度。
TSMC FINFLEX架構(gòu)將3納米家族技術(shù)的產(chǎn)品性能、功率效率和密度進一步提升，讓芯片設(shè)計人員能夠在相同的芯片上利用相同的設(shè)計工具來選擇最佳的鰭結(jié)構(gòu)支持每一個關(guān)鍵功能區(qū)塊，分別有3-2鰭、2-2鰭、以及2-1鰭結(jié)構(gòu)可供選擇，其特性如下:
?3-2鰭-最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運算需求
?2-2鰭-高效性能，在性能、功率效率和密度之間取得良好的平衡
?2-1鰭-超高的功效、最低的功耗、最低的漏電和最高的密度
FINFLEX創(chuàng)新使N3E實現(xiàn)了從N5的全一代微縮，為移動和HPC應(yīng)用提供了完整的平臺支持，并將具有更強的性能、功率和較低的工藝制程復(fù)雜性。
2納米家族:
在過去的15年中，臺積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并相信N2是導(dǎo)入納米片晶體管的合適工藝制程，將速度和功率提升全一代，協(xié)助客戶保持競爭力。目前，N2的開發(fā)按計劃順利推進，預(yù)計于2025年量產(chǎn)。
在納米片晶體管和設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(DTCO)的幫助下，臺積電N2的性能和功率優(yōu)勢提升了一代。相較于N3E，在相同功耗下速度提升10-15%，或在相同速度下功耗降低25-30%。由于納米片晶體管具有卓越的低Vdd性能，N2在正常Vdd及相同的功耗下，性能提高了15%，在較低的Vdd(0.55V)下，優(yōu)勢擴大到26%。
在N2之后
在未來，臺積電對于N2之后的發(fā)展持樂觀態(tài)度，特別是在新型晶體管結(jié)構(gòu)、新材料、持續(xù)微縮和新導(dǎo)體材料方面的創(chuàng)新。
多年來，標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體架構(gòu)的演變已經(jīng)從平面式晶體管轉(zhuǎn)至鰭式場效晶體管(FinFET)，并將再次發(fā)展到納米片晶體管。甚至在納米片之外，臺積電看到包括CFET(垂直堆棧的nFET和pFET)在內(nèi)的許多可能的方向。
除此之外，臺積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面的突破，在不斷微縮的同時，克服芯片移動性方面的挑戰(zhàn)。未來，臺積公司將繼續(xù)探索晶體管架構(gòu)，并利用2D材料和碳納米管等新材料。
為了解決關(guān)鍵工藝制程的間距縮小問題，臺積電在N7+開始利用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)。未來，臺積電將在2024年引進High-NA EUV曝光設(shè)備，以開發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)架構(gòu)和曝刻解決方案，以支持創(chuàng)新。
寫在最后
除了上述臺積電在先進工藝上的推進發(fā)展，臺積電在特殊工藝上同樣投入諸多。據(jù)了解，近年來，臺積電在特殊技術(shù)的投資的復(fù)合年增?率超過64%，幾乎是過去投資速度的三倍。在接下來的幾年內(nèi)，預(yù)計會進一步擴增其特殊工藝產(chǎn)能。根據(jù)臺積電預(yù)計，到2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%。
臺積電持續(xù)通過智能化制造的創(chuàng)新，提高生產(chǎn)力和最大化產(chǎn)出。過去三年，臺積電的資本支出增加了超過一倍，從2019年低于150億美元，增加至2021年的300億美元，再到2022年的400至440億美元，為先進工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產(chǎn)能。
臺積電在南京興建的新的28納米晶圓廠預(yù)計于今年第四季度開始量產(chǎn)。同時，其在美國亞利桑那州的晶圓廠正在興建中，預(yù)計于2024年量產(chǎn)5納米工藝。臺積電還在日本熊本新建廠線并擴大規(guī)劃產(chǎn)能，以提供12/16納米和28納米家族技術(shù)的晶圓制造服務(wù)，預(yù)計于2024年開始量產(chǎn)。
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