搶奪臺積電2nm代工訂單有多難？

半導體代工廠在 3nm 生產(chǎn)線開始為客戶量產(chǎn)后不久，就開始在 2nm 工藝上展開競爭。三星在 2022 年 6 月率先生產(chǎn)出采用全柵極 (GAA) 架構的 3nm 晶圓，這值得借鑒。

兩年過去了，三星想要以 GAA 超越臺積電的雄心壯志并未奏效，三星既沒有獲得客戶的大批量訂單，又在先進制程上遭遇英特爾和臺積電的雙重打擊。

盡管三星為 AMD 提供 3nm 制程服務的傳聞已久，但 AMD CEO Lisa Su 在 2024 年臺北國際電腦展的發(fā)布會上強調，公司仍在與臺積電合作。從臺積電聯(lián)席首席運營官 YJ Mii 和 AMD CTO Mark Papermaster 最近的對話中，不難看出，搶奪競爭對手的先進制程訂單有多么困難。

先進制程凸顯出傳統(tǒng)的微縮方法已不再足夠，代工廠已無法再通過閉門造車的方式實現(xiàn) 2nm 甚至更先進的制程。相反，正如 Papermaster 所說，臺積電對設計-技術協(xié)同優(yōu)化 (DTCO) 的重視發(fā)揮了更重要的作用。

Papermaster 表示，自 2010 年代以來，代工廠和 IC 設計人員之間的傳統(tǒng)合作模式已經(jīng)變得越來越不夠，他強調臺積電對 DTCO 的重視可以幫助客戶以各種方式充分利用他們的晶圓。

DTCO，顧名思義，是對設計和工藝技術的綜合優(yōu)化，以提高性能、功率效率、芯片密度和成本。臺積電此前曾表示，工藝研發(fā)團隊和設計研發(fā)團隊必須從一開始就合作，為下一代技術優(yōu)化設計技術協(xié)同效應，探索設計創(chuàng)新和工藝能力的可能性。

DTCO 有助于識別過于極端和毫無價值的工藝路線，聚焦客戶需求，減輕開發(fā)壓力；另一方面，DTCO 可以幫助客戶在性能、功耗、晶圓面積之間找到平衡，而這是單純依靠工藝小型化難以實現(xiàn)的；此外，DTCO 有助于發(fā)揮單節(jié)點的技術潛力。

DTCO 還全面審視晶圓器件如何相互作用以及如何同時滿足多種要求，并敦促代工廠尋找制造晶圓器件的新方法，以推動從平面晶體管到 FinFET 晶體管關鍵元件的轉變。這些探索和工程經(jīng)驗將影響 GAA 晶體管和 CFET 晶體管的推出時機。

在交流中，Yujie Mee 也提到了 2nm 的難度，以及隨著先進制程規(guī)模擴大，規(guī)?？s小的挑戰(zhàn)性也隨之增大，但他認為，2nm 之后仍有成長空間，而成功的關鍵在于客戶的合作。

Papermaster 和 Yujie Mee 之間的對話也強調了隨著 GAA 的引入，DTCO 的重要性日益增加。

GAA 晶體管架構可以轉化為更高的性能、更低的功耗以及更優(yōu)化的芯片設計。三星在 3nm 時代率先引入 GAA 之后，如果能找到一個設計與工藝雙向合作的長期合作伙伴，無疑可以在獲得更好的 GAA 晶體管良率方面領先一步。

AMD 于 2018 年從格芯轉向臺積電，以制造其 7 nm 以下的芯片。AMD 團隊很早就與臺積電合作了 Zen 架構工藝藍圖。AMD 最近在 Computex 上發(fā)布了 Zen 5 CPU，但它已確認最早在 2022 年采用 4 納米和 3 納米技術，其與臺積電的 DTCO 工藝應該會更早發(fā)生。

臺積電 2nm 進程

臺積電在其 2024 年北美技術研討會上提供了有關其即將推出的工藝技術的幾項重要更新。從總體上看，臺積電的 2 納米計劃基本保持不變：該公司有望在 2025 年下半年開始在其第一代 GAAFET N2 節(jié)點上批量生產(chǎn)芯片，而 N2P 將在 2026 年底接替 N2，盡管沒有之前宣布的背面供電功能。同時，整個 N2 系列將增加臺積電的全新 NanoFlex 功能，該功能允許芯片設計人員混合和匹配來自不同庫的單元，以優(yōu)化性能、功率和面積 (PPA)。

此次發(fā)布會的一項重要公告是臺積電的 NanoFlex 技術，該技術將成為該公司完整的 N2 系列生產(chǎn)節(jié)點（2 納米級、N2、N2P、N2X）的一部分。NanoFlex 將使芯片設計人員能夠在同一塊設計中混合和匹配來自不同庫（高性能、低功耗、面積高效）的單元，從而使設計人員能夠微調其芯片設計以提高性能或降低功耗。

臺積電當代的 N3 制造工藝已經(jīng)支持類似的功能 FinFlex，該功能還允許設計人員使用來自不同庫的單元。但由于 N2 依賴于全柵 (GAAFET) 納米片晶體管，因此 NanoFlex 為臺積電提供了一些額外的控制：臺積電可以優(yōu)化通道寬度以提高性能和功率，然后構建短單元（以提高面積和功率效率）或高單元（以提高 15% 的性能）。

說到時間，臺積電的 N2 將于 2025 年進入風險生產(chǎn)，并于 2025 年下半年進入大批量生產(chǎn) (HVM)，因此看起來我們將在 2026 年看到 N2 芯片出現(xiàn)在零售設備中。

與 N3E 相比，臺積電預計 N2 將在相同功率下將性能提高 10% 至 15%，或在相同頻率和復雜度下將功耗降低 25% 至 30%。至于芯片密度，該代工廠正在考慮將密度提高 15%，以當代標準來看，這是一個很好的擴展程度。

繼 N2 之后，性能增強型 N2P 和電壓增強型 N2X 將于 2026 年問世。盡管臺積電曾表示 N2P 將在 2026 年增加背面供電網(wǎng)絡 (BSPDN)，但看起來情況并非如此，N2P 將使用常規(guī)供電電路。原因尚不清楚，但看起來該公司決定不為 N2P 添加昂貴的功能，而是將其保留到下一代節(jié)點，該節(jié)點也將于 2026 年底向客戶提供。

N2 仍有望在電源方面實現(xiàn)一項重大創(chuàng)新：超高性能金屬-絕緣體-金屬 (SHPMIM) 電容器，這些電容器的加入是為了提高電源穩(wěn)定性。SHPMIM 電容器的容量密度是臺積電現(xiàn)有超高密度金屬-絕緣體-金屬 (SHDMIM) 電容器的兩倍多。此外，與上一代產(chǎn)品相比，新的 SHPMIM 電容器的薄層電阻 (Rs，單位為歐姆/平方) 和通孔電阻 (Rc) 降低了 50%。