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(jié)點(diǎn)計(jì)劃的更多詳細(xì)信息。臺積電的 N2 系列制造技術(shù)將擴(kuò)展其他變化，包括具有背面供電功能的 N2P 和用于高性能計(jì)算的 N2X。在這些即將推出的 N2 代工藝節(jié)點(diǎn)之間，臺積電正在制定路線圖，以繼續(xù)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第一個使用全能柵極（GAAFET）晶體管的節(jié)點(diǎn)，臺積電稱之為納米片晶體管。GAAFET 與當(dāng)前的 FinFET 晶體管相比的優(yōu)勢包括更低的漏電流（因?yàn)橥ǖ赖乃兴膫€側(cè)面都存在柵極），以及能夠調(diào)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(xiàng)技術(shù)時表示，在相同的功率和復(fù)雜性下，它將使晶體管性能提高 10% 至 15%，或者在相同的時鐘和晶體管數(shù)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)開發(fā)正在按計(jì)劃進(jìn)行，該節(jié)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(dá)到了其目標(biāo)規(guī)格的 80% 以上，256Mb SRAM 測試 IC 的平均良率超過 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(jié)能計(jì)算范式，」臺積電的一份聲明中寫道。

N2P 在 2026 年獲得背面供電

臺積電的 N2 系列將在 2026 年的某個時候發(fā)展，屆時該公司計(jì)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。

背面供電旨在通過將電源軌移動到背面來解耦 I/O 和電源線，從而解決諸如后端（BEOL）中電阻升高等挑戰(zhàn)。反過來，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(shù)據(jù)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(qiáng)調(diào)都不為過。多年來，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）是解決這些問題的另一種方法。此外，去耦 PDN 和數(shù)據(jù)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(shù)字。但根據(jù)我們從行業(yè)消息來源聽到的消息，僅背面電源軌就可以帶來個位數(shù)的功率改進(jìn)和兩位數(shù)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。這個時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(shè)他們能夠在 2024 年按時交付自己的 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(zhǔn)備 N2X。這將是為高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用量身定制的制造工藝，如高端 CPU，這些應(yīng)用需要增加電壓和時鐘。該代工廠沒有概述該節(jié)點(diǎn)與 N2、N2P 和 N3X 相比的具體優(yōu)勢，但與所有性能增強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)一樣，實(shí)際優(yōu)勢預(yù)計(jì)將在很大程度上取決于設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)計(jì)劃的新公告外，臺積電還在北美技術(shù)研討會上發(fā)布了其 2023 年 N3 系列工藝技術(shù)的進(jìn)展和路線圖更新。作為臺積電的最后一代基于 FinFET 的工藝節(jié)點(diǎn)，N3 系列預(yù)計(jì)將在未來許多年內(nèi)以某種形式保持存在，成為不需要更尖端的基于 GAAFET 工藝的客戶可用的最密集節(jié)點(diǎn)。

臺積電在 N3 方面的重大路線圖更新是 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(qiáng)的性能，更低的功耗和更高的晶體管密度，同時保持與 N3E 設(shè)計(jì)規(guī)則的兼容性。同時，N3X 將把極致性能與 3nm 級密度相結(jié)合，為高性能 CPU 和其他處理器提供更高的時鐘速度。

N3E：適合所有人的 3nm 按計(jì)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(zhǔn) N3（又名 N3B），降低成本的寬松 N3E，增強(qiáng)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節(jié)點(diǎn)守口如瓶，在其幻燈片中沒有提到它。

臺積電的原版 N3 節(jié)點(diǎn)具有多達(dá) 25 個 EUV 層，臺積電在其中的一些上使用 EUV 雙圖案，以實(shí)現(xiàn)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(shù)不關(guān)心所需高額費(fèi)用的客戶使用的原因。

臺積電的大多數(shù)客戶對 3nm 級工藝感興趣，預(yù)計(jì)將使用寬松的 N3E 節(jié)點(diǎn)，據(jù)臺積電稱，該節(jié)點(diǎn)正在按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)其性能目標(biāo)。N3E 使用多達(dá) 19 個 EUV 層，完全不依賴 EUV 雙重圖案，降低了其復(fù)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(jié)點(diǎn)相同，因此對于那些追求密度/面積增益的客戶來說，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關(guān)鍵指標(biāo)。

「N3E 在良率，工藝復(fù)雜性方面將優(yōu)于 N3，這直接轉(zhuǎn)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。N3P：更高的性能，更高的晶體管密度

在 N3E 之后，臺積電將繼續(xù)使用 N3P 優(yōu)化 N3 系列的晶體管密度，N3P 將通過提供改進(jìn)的晶體管特性建立在 N3E 的基礎(chǔ)上。改進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)將使芯片設(shè)計(jì)人員能夠在相同的泄漏下將性能提高 5%，或者在相同的時鐘下將功耗降低 5% ~ 10%。新節(jié)點(diǎn)還將為「混合」芯片設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)，密度改進(jìn)是通過調(diào)整其掃描儀的光學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)的。因此，臺積電很可能能夠縮小所有類型的芯片結(jié)構(gòu)，這將使 N3P 成為 SRAM 密集型設(shè)計(jì)的有吸引力的節(jié)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。它還具有 2% 的光學(xué)收縮，使晶體管密度達(dá)到 1.04 倍。

由于 N3P 是 N3E 的光學(xué)收縮，它將保留 N3E 的設(shè)計(jì)規(guī)則，使芯片設(shè)計(jì)人員能夠在新節(jié)點(diǎn)上快速復(fù)用 N3E IP。因此，N3P 也有望成為臺積電最受歡迎的 N3 節(jié)點(diǎn)之一，預(yù)計(jì) Cadence 和 Synopsys 等 IP 設(shè)計(jì)公司將為該工藝技術(shù)提供各種 IP，從而在此過程中獲得與現(xiàn)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(jì)算應(yīng)用的開發(fā)人員，臺積電在過去幾代中一直提供其 X 系列高壓，以性能為中心的節(jié)點(diǎn)。正如在去年的活動中披露的那樣，N3 系列將獲得自己的 X 變體，其名稱恰如其分地命名為 N3X 節(jié)點(diǎn)。

與 N3E 相比，N3X 預(yù)計(jì)將提供至少 5% 的時鐘速度比 N3P 高。這是通過使節(jié)點(diǎn)更能耐受更高電壓來實(shí)現(xiàn)的，允許芯片設(shè)計(jì)人員提高時鐘速度以換取更高的整體泄漏。

臺積電聲稱 N3X 將支持（至少）1.2v 的電壓，這對于 3nm 級制造工藝來說是一個相當(dāng)極端的電壓。反過來，泄漏成本是巨大的，臺積電預(yù)計(jì)，在更平衡的 N250P 節(jié)點(diǎn)上，漏電將增加 3%。這強(qiáng)調(diào)了為什么 N3X 實(shí)際上僅適用于 HPC 級處理器，并且芯片設(shè)計(jì)人員需要格外小心以控制其最強(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)則兼容性。

臺積電當(dāng)前路線圖中的最后一個 N3 系列節(jié)點(diǎn)，該公司表示 N3X 將在 2025 年投入生產(chǎn)。

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

• 先進(jìn)封裝——為了支持 HPC 應(yīng)用在單個封裝中容納更多處理器和內(nèi)存的需求，臺積電正在開發(fā)基板上晶圓上芯片 (CoWoS) 解決方案，其光罩尺寸高達(dá) 6 倍（~5,000mm2）RDL 中介層，能夠容納 12 個 HBM 內(nèi)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(tǒng) (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(jì)高效的方式。SoIC-P 補(bǔ)充了 TSMC 現(xiàn)有的用于高性能計(jì)算 (HPC) 應(yīng)用的無擾動解決方案，這些解決方案現(xiàn)在稱為 SoIC-X。

• 設(shè)計(jì)支持——TSMC 推出了 3Dblox? 1.5，這是其開放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)語言的最新版本，旨在降低 3D IC 設(shè)計(jì)的門檻。3Dblox? 1.5 添加了自動凸點(diǎn)合成，幫助設(shè)計(jì)人員處理具有數(shù)千個凸點(diǎn)的大型芯片的復(fù)雜性，并有可能將設(shè)計(jì)時間縮短數(shù)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(tǒng)等數(shù)字密集型射頻應(yīng)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，以幫助開發(fā)先進(jìn)汽車計(jì)算機(jī)芯片的客戶更快地利用其最新技術(shù)。

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

過去，汽車芯片公司需要額外的時間來為那些專門的生產(chǎn)線創(chuàng)建芯片設(shè)計(jì)。結(jié)果是汽車芯片可能比最新智能手機(jī)中的芯片落后數(shù)年。在技術(shù)大會上，臺積電推出了新軟件，使汽車芯片設(shè)計(jì)人員能夠提前兩年左右開始設(shè)計(jì)工作。這將使這些公司能夠使用臺積電 N3 芯片制造技術(shù)的汽車版本——這是消費(fèi)設(shè)備的當(dāng)前技術(shù)水平——一旦臺積電在 2025 年推出汽車級版本。

「從歷史上看，汽車一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于消費(fèi)者，」臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Kevin Zhang 在新聞發(fā)布會上表示?！改鞘沁^去。這使我們的汽車客戶能夠更早地開始他們的設(shè)計(jì)——事實(shí)上，比之前早了兩年?！?/span>

Zhang 說，在新冠疫情和隨之而來的汽車半導(dǎo)體短缺之前，汽車制造商通常將重要的芯片技術(shù)決策留給供應(yīng)商。但現(xiàn)在，這些供應(yīng)商和汽車制造商經(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?！冈谶^去的幾年里，我親自會見了許多主要的汽車業(yè)首席執(zhí)行官... 我們在前期與他們密切合作?！?/span>