臺積電公布3nm技術細節，明年試產！正建8000人2nm新研發中心

臺積電在先進制程領先的道路上一往無前，計劃3nm技術于2021年進入風險生產、在2022年開始量產，而英特爾的7nm預計最早推出也要到2022年末。

據介紹，相較5nm N5工藝，相同功耗下，臺積電3nm N3性能可提高10-15％；相同性能下，N3功耗可降低25-30％；N3的邏輯密度、SRAM密度、模擬密度分別是N5的1.7倍、1.2倍、1.1倍。同時，臺積電總裁魏哲家宣布，臺積電已整合旗下包括SoIC、InFO、CoWoS等3D封裝技術平臺，命名為臺積電3D Fabric。臺積電高級副總裁Kevin Zhang和Y.P. Chin在預先錄制的視頻中提到，臺積電正在其總部旁邊正建設一個專注于2nm芯片研發的新研發中心，擁有8000名工程師，將運營一條先進的生產線，該項目的第一階段將于2021年完成。作為全球晶圓代工“一號玩家”，從臺積電的分享，我們可以看到全球先進制程最前沿的芯片制造技術風向。

在今天的臺積電技術研討會，臺積電介紹了5nm N5、N5P、N4工藝以及3nm N3工藝的PPA優化情況。

據悉，臺積電5nm N5工藝廣泛采用了EUV技術。相較7nm N7工藝，臺積電N5工藝在相同功耗下的性能提高了15％，在相同性能下的功耗降低了30％，邏輯密度為N7的1.8倍。臺積電還提到，N5的缺陷密度學習曲線比N7快，這意味著5nm工藝將比其上一節點能更快地達到更高的良率。N5P和N4屬于5nm N5的增強版本。N5P主要面向高性能應用，計劃在2021年投入使用。與N5相比，同等功耗下，N5P的性能可提高5％；同等性能下，N5P的功耗可降低10％。由于與N5節點在IP上兼容，因此臺積電的5nm N4工藝可提供直接遷移，性能、功耗和密度均有所增強。臺積電計劃在2021年第四季度開始N4風險生產，目標是在2022年實現大批量生產。相比5nm N5節點，臺積電3nm N3在相同功耗下的性能可提高10-15％，在相同性能下的功耗可降低25-30％；邏輯密度提高70%，SRAM密度提高20%，模擬密度提高10%。此外，臺積電還介紹了專為IoT、移動和邊緣設備等低功耗設備而設計的N12e工藝，該工藝是臺積電12 nm FinFET節點的增強版，擁有更低功耗、更高性能，支持超低漏電器件和低至0.4V的超低Vdd設計。

近來先進制程的戰場可謂是波瀾起伏，英特爾制程進化再度跳****，三星頻傳良率不過關，唯有臺積電一路喜訊不斷，不僅股價持續飆漲，躍居全球第十大市值公司，還迎來制造出10億顆7nm芯片的新里程碑。從率先搞定7nm的那一刻起，臺積電就成了整個“地球村”的希望。除了三星、英特爾這種自帶先進制造廠的IDM巨頭，大部分的頭部芯片設計公司都跑到臺積電7nm的門外排起長隊。原因無他，制程工藝越先進，芯片性能越高、功耗越低，在市場上越有競爭力。臺積電沖得不僅快，良率還高。2018年有超過50款7nm芯片量產，代工方都是臺積電。2019年，臺積電代工的7nm芯片設計更是超過100種。蘋果、高通、華為、英偉達、AMD、賽靈思、聯發科等芯片巨頭都是臺積電7nm的客戶。同時，臺積電的7nm N7+工藝是全球第一個在大批量生產中采用EUV的節點，而向后兼容的N6邏輯密度又提高了18%。據臺積電介紹，N6具有與N7相同的缺陷密度。臺積電2019年年報顯示，這一年，臺積電為499個客戶生產10761種不同的芯片，在半導體制造領域市場占有率達52%。從2020年上半年全球前大晶圓代工營收來看，臺積電的營收超過2-9名代工營收的總和。

據臺媒報道，臺灣三大科學園區2020年上半年營業額達13681億新臺幣（約合3220億人民幣），其中將近41%由臺積電貢獻。

國際IT研究與顧問咨詢公司Gartner的數據顯示，先進制程將為晶圓代工市場營收貢獻越來越高的比重。

獨霸晶圓代工半壁江山的臺積電，有被彎道超車的可能嗎？臺積電創始人張忠謀很謙遜，在2020年年初接受媒體采訪時提到，三星電子是很厲害的對手，目前臺積電暫時占優勢，但臺積電跟三星的戰爭絕對還沒結束，臺積電還沒有贏。臺積電相較三星有很多優勢， 比如它是一個純粹的晶圓代工廠，相較三星這種有自己芯片設計業務的IDM廠商，更易獲得客戶的信賴；比如它的技術推進順利，繼率先征戰7nm市場后，又即將迎來5nm大規模落地。臺積電總裁魏哲家曾透露，采用臺積電5nm完成的芯片tape-out數量將比7nm量產初期的同時期還要高，5nm也將成為臺積電繼7nm之后、另一個重大且具有長生命周期的制程節點，預估5nm在2020年營收占比將達到10％。但贏得市場最核心的籌碼——技術領先性——還存在變數。痛失7nm市場的三星，已經擺足了架勢要在接下來的5nm及更先進制程的戰局中扳回一城。接下來的戰役非常明朗，核心動作都是砸錢、擴產、搶先發。首先，持續增加研發投入和資本支出。早在2017年，臺積電就透露計劃為3nm工藝芯片工廠投資200億美元。根據財報數據，臺積電2019年研發投入近30億美元，約占全年營收的8.5%；其2020年資本開支預計將達到160億-170億美元。臺積電還在其總部旁邊正建設一個擁有8000名工程師的新研發中心，該項目的第一階段將于2021年完成，計劃研發2nm芯片。三星則接連公布巨額支出計劃。2019年4月，三星宣布計劃在未來十年向LSI和代工領域投資總計133萬億韓元（約合1160億美元）。同年10月，三星花費25億美元向ASML采購15臺EUV光刻機。2020年1月，三星斥資33.8億美元向光刻機霸主ASML下單20臺EUV光刻機，除了計劃用于7nm、5nm等邏輯芯片外，還計劃用在DRAM內存芯片的生產。其次，穩步擴建生產線。臺積電稱其正擴大在首家5nm晶圓廠Fab 18的N5生產。Fab 18于2020年第二季度開始量產N5，旨在每年加工約100萬片12英寸晶圓。此前在2020年5月，臺積電和三星分別宣布新的5nm晶圓廠建廠計劃。臺積電在美國亞利桑那州新建的半導體工廠項目，將從5nm技術開始，月產能20000片晶圓，計劃2024年建成投產。三星將在漢城南部的平澤市建造全新的5nm晶圓廠，預計在2021年下半年投產，產品主要用于5G網絡和高性能計算。最重要的，搶占5nm市場，超越3nm研發。今年下半年，采用臺積電5nm技術的華為麒麟1020處理器和蘋果A14處理器將進入市場。Ampere Computing亦基于N5工藝制造其下一代服務器芯片。其他被報道向臺積電5nm下訂單的還有高通、AMD、聯發科、恩智浦等芯片巨頭。2020年7月底，三星電子稱，因客戶庫存準備增長，其芯片代工業務取得了創紀錄的季度和半年度營收，還透露已開始大規模量產5nm芯片，并且正在研發4nm工藝。按三星原定規劃，它將從2020年8月開始大規模生產三星5nm Exynos芯片。目前宣布采用三星5nm工藝制程有高通、谷歌等。但近日有報道稱，三星在5nm EUV工藝良品率方面遇到問題。而在更先進的3nm工藝上，三星率先采用了突破性的GAA環繞柵極晶體管技術，以制造出密度更高的芯片。臺積電3nm則繼續沿用FinFET晶體管架構，到第二代3nm或2nm才會升級到GAA技術。

在今天的臺積電技術研討會上，臺積電分享了一些可以超越3nm的行業進展，如nanosheet、nanowire等技術，以及高遷移率通道、2D晶體管和碳納米管等新材料，不過它并未提供關于將采用何種技術的細節。臺積電已深耕nanosheet技術超過15年，并已證明其可以生產在0.46V下工作的32Mb納米片SRAM器件。臺積電還確定了幾種適用于2D的非硅材料，它們可以將溝道厚度控制在1nm以下。另外臺積電也在研究碳納米管這種新型底材。與此同時，無論是臺積電還是三星，都在加快研發更先進的封裝技術。

7nm、5nm、3nm、2nm……隨著先進制程節點逐漸趨于零值，新的問題正擺在先進芯片制造商們面前。一方面，一些業內人士開始探討，是不是有更加科學合理的命名法，來取代現有芯片制程命名邏輯。另一方面，并非所有芯片都需要追求最先進的制程工藝。芯片縮放固然有助于提高性能，但隨著芯片制造工藝不斷逼近物理極限，成本越來越高，增益卻在減少，綜合性價比未必會有競爭力。當然無論前路存在多少不確定性，先進制程仍將是臺積電、三星與英特爾這三大巨頭角逐最先進技術的戰場，或許，未來的入局者還會有中芯國際。