臺(tái)積電發(fā)布N4P工藝：增強(qiáng)版的5nm制程技術(shù)都有哪些不同？
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在2021開放創(chuàng)新平臺(tái)（OIP）生態(tài)系統(tǒng)論壇上，臺(tái)積電（TSMC）宣布推出N4P工藝，這是以目前5nm制程節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，以性能為重點(diǎn)的增強(qiáng)型工藝。采用N4P技術(shù)生產(chǎn)的首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)于2022年下半年完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202110/429193.htmN4P制程工藝的推出強(qiáng)化了臺(tái)積電的先進(jìn)邏輯半導(dǎo)體技術(shù)組合，其中的每項(xiàng)技術(shù)皆具備獨(dú)特的效能、功耗效率以及成本優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的N4P可提供高性能運(yùn)算（HPC）與移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用一個(gè)更強(qiáng)化且先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)。
N4
N4P是繼N5、N4后，臺(tái)積電5nm家族的第三個(gè)主要強(qiáng)化版本。臺(tái)積電稱，N4P的性能較原先的N5增快11%，較N4增快6%。與N5相比，N4P的功耗效率提升22%，晶體管密度增加6%。
N4P工藝和此前N4工藝一樣，提供了更多的PPA（功率、性能、面積）優(yōu)勢(shì)，但保持了相同的設(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施、SPICE模擬程序和IP。
此外，N4P通過(guò)減少掩模數(shù)量降低了工藝復(fù)雜性并縮短了晶圓周期時(shí)間。由于都是5nm技術(shù)平臺(tái)，臺(tái)積電稱N4P制程技術(shù)設(shè)計(jì)可將基于5nm制程的產(chǎn)品輕松移轉(zhuǎn)。憑借N5、N4、N3和最新的N4P，臺(tái)積電客戶在其產(chǎn)品的性能、面積、成本和功耗等多方面都可以有非常靈活的工藝選擇。
臺(tái)積電目前提供的5nm制程之后大規(guī)模制程的生產(chǎn)路線圖被認(rèn)為如下：
iPhone13系列中的Apple A15Bionic工藝是由臺(tái)積電使用5nm （N5P） 工藝制造的，先前曾有傳言稱，蘋果下一代處理器會(huì)首發(fā)臺(tái)積電3nm工藝。但現(xiàn)在由于技術(shù)限制，臺(tái)積電無(wú)法保證3nm的量產(chǎn)時(shí)間，產(chǎn)能問(wèn)題也尚未解決。
如今，臺(tái)積電剛好在這個(gè)時(shí)候帶來(lái)了N4P工藝，按照蘋果一貫的行事風(fēng)格A16很有可能使用更為穩(wěn)妥N4P工藝制程，這意味著明年旗艦智能手機(jī)的下一代高通驍龍898芯片很可能也將使用4nm節(jié)點(diǎn)制造。同時(shí)，即將推出的聯(lián)發(fā)科技天璣2000SoC也據(jù)稱正在使用4nm工藝進(jìn)行開發(fā)。
N5
5nm是臺(tái)積電的又一個(gè)重要工藝節(jié)點(diǎn)，分為N5、N5P兩個(gè)版本。前者相比于N7 7nm工藝性能提升15％、功耗降低30％，后者在前者基礎(chǔ)上繼續(xù)性能提升7％、功耗降低15％。
臺(tái)積電5nm使用第五代FinFET晶體管技術(shù)，EUV極紫外光刻技術(shù)也擴(kuò)展到10多個(gè)光刻層，整體晶體管密度提升84％ —— 7nm是每平方毫米9627萬(wàn)個(gè)晶體管，5nm就將是每平方毫米1.771億個(gè)晶體管。
在制程越來(lái)越難以精進(jìn)的今天，臺(tái)積電為自己設(shè)定了優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，以最大程度優(yōu)化當(dāng)前的量產(chǎn)工藝。例如，在N5和N7之間設(shè)定了一個(gè)N6制程，它是N7+的優(yōu)化版本，使用EUV，并會(huì)使用比N7+更多一些的EUV層數(shù)。因?yàn)樵较冗M(jìn)的工藝越貴，而處于N5和N7之間的N6會(huì)為一些客戶提供一個(gè)價(jià)格較為容易接受的先進(jìn)制程。
5nm已經(jīng)是臺(tái)積電營(yíng)收的重要來(lái)源。根據(jù)臺(tái)積電第三季度業(yè)績(jī)表現(xiàn)，5nm制程出貨占該公司2021年第三季晶圓銷售金額的18%；7nm制程出貨占全季晶圓銷售金額的34%。總體而言，先進(jìn)制程（包含7nm及更先進(jìn)制程）的營(yíng)收達(dá)到全季晶圓銷售金額的52%。
臺(tái)積電今年投入的300億美元的資本預(yù)算中，80%將會(huì)投入到7nm及以下制程的芯片研發(fā)，并將擴(kuò)大晶圓產(chǎn)能。除了在中國(guó)臺(tái)灣，臺(tái)積電還斥資120億美元在美國(guó)亞利桑那州建造一座5nm芯片工廠，首批美國(guó)雇傭的工程師在4月下旬已經(jīng)抵達(dá)臺(tái)灣，接受5nm技術(shù)培訓(xùn)。美國(guó)工廠建設(shè)已經(jīng)動(dòng)工，預(yù)計(jì)設(shè)備將在2022年下半年進(jìn)廠。
總體而言，臺(tái)積電相信，其「大家的晶圓代工廠」(everyone's foundry) 戰(zhàn)略將使其在規(guī)模、市場(chǎng)份額和銷售額方面進(jìn)一步增長(zhǎng)。該公司還預(yù)計(jì)，未來(lái)將保持其技術(shù)領(lǐng)先地位，這對(duì)其增長(zhǎng)至關(guān)重要。
N3 / N2
除了5nm，臺(tái)積電3nm也將采用FinFET晶體管結(jié)構(gòu)。目前，3nm技術(shù)開發(fā)已步入正軌。臺(tái)積電總裁魏哲家表示，已經(jīng)為 HPC（高性能計(jì)算）和智能手機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)了完整的平臺(tái)支持。3nm制程的風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)計(jì)劃于2021年進(jìn)行，2022年下半年開始規(guī)模量產(chǎn)，“N3的客戶參與度很高。與N5相比，第一年N3的新流片量會(huì)更多?！?/p>
臺(tái)積電還推出了N3E作為3nm工藝系列的擴(kuò)展，預(yù)計(jì)N3E的量產(chǎn)計(jì)劃在N3之后的一年進(jìn)行。臺(tái)積電此前披露，N3 3nm工藝將在今年內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)，2022年下半年大規(guī)模量產(chǎn)，2023年第一季度獲得實(shí)際收入，N3E 2024年量產(chǎn)，N2 2nm 2025年量產(chǎn)。
面對(duì)虎視眈眈的三星和英特爾，魏哲家在三季度業(yè)績(jī)會(huì)上回應(yīng)稱，有信心臺(tái)積電會(huì)非常有競(jìng)爭(zhēng)力，“在2025年，我們2nm的技術(shù)、密度和性能將是最具競(jìng)爭(zhēng)力的?！彼嘎?，臺(tái)積電2nm正在考慮使用GAA（環(huán)繞柵晶體管）技術(shù)，但并未披露具體計(jì)劃。
由于如今全球芯片荒的環(huán)境，臺(tái)積電承受了巨大的產(chǎn)能壓力，但是產(chǎn)能問(wèn)題又不是那么容易解決的，建廠投產(chǎn)都需要具備充足的條件，并且，隨著科技的進(jìn)步，整個(gè)行業(yè)對(duì)先進(jìn)工藝芯片的需求會(huì)越來(lái)越高，所以，未來(lái)對(duì)于臺(tái)積電來(lái)說(shuō)，不僅需要擴(kuò)大產(chǎn)能，更需要研發(fā)新工藝，來(lái)緩解其他工藝的產(chǎn)能壓力了；只有這樣，才能維持住自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
評(píng)論