詳解臺積電代工廠未來規劃

在過去的一年里，我有機會向每家大型代工廠詢問他們未來的計劃。這一系列中最新的是臺積電，這是他們最近宣布路線圖和即將推出的工藝節點技術的一部分。作為全球領先的尖端和 EUV 邏輯制造商，以及封裝絕大多數大型 AI 芯片的公司，臺積電在過去幾年中面臨著快速和大規模執行的壓力。作為對下一代技術的承諾的一部分，該公司宣布了其 A16 工藝節點、Super Power Rail（背面供電的營銷名稱）、進軍共封裝光學器件和晶圓上硅技術，利用對最大芯片更大基板的需求。這是我關于這些公告的最新視頻。

這些消息是在今年早些時候臺積電的美國技術研討會上宣布的。該研討會是一次路演，涵蓋了該公司的各個大洲和主要市場。就在歐盟研討會之前，我有機會與臺積電高級副總裁兼副聯席首席運營官張凱文博士進行了一次采訪。我們討論了廣泛的話題，從張凱文對摩爾定律的看法，到市場在人工智能的重壓下發生了怎樣的變化（以及人工智能的激活）。

下面是采訪的摘要。

問：當首席執行官們介紹計算的未來時，有些人會說摩爾定律已經失效了。他們說他們必須在架構方面進行創新，因為他們從封裝和工藝節點技術中獲益不多。臺積電對此持什么立場？

答：嗯，我的回答很簡單：我不在乎。只要我們能夠繼續推動技術進步，我不在乎摩爾定律是否有效。

但現實是，許多人只是基于二維縮放對摩爾定律進行了狹隘的定義——現在情況已不再如此。看看我們行業的創新炒作，我們實際上仍在繼續尋找不同的方法，將更多功能和更多能力集成到更小的外形尺寸中。我們繼續實現更高的性能和更高的能效。因此從這個角度來看，我認為摩爾定律或技術縮放將繼續存在。我們將繼續創新，推動行業向前發展。

問：那么我們是否應該重新定義摩爾定律？我們是否應該制定一條新定律？

答：（笑）我讓別人來定義吧。

問：臺積電以漸進式的工藝節點更新而聞名——主要工藝節點是主要節點，然后是在此節點上不斷迭代的小變化。您認為臺積電的成功有多少歸功于這種漸進式策略？

答：嗯，我不太喜歡“漸進”這個詞！如果你看看我們的技術路線圖，從 5nm 到 3nm，現在從 3nm 到 2nm，如果你看看能源效率的提高，你會發現它不是漸進式的。每代都超過 30%。但在主要節點之間，我們將繼續推動漸進式增強。我們這樣做的原因是，我們允許我們的客戶繼續從每一代新技術中獲得擴展效益。所以在主要節點之間——是的，我們繼續推動漸進式。但在主要節點之間，增強，或者說功率、性能、密度的改進是非常顯著的。

問：是不是因為當客戶進入主要節點時，他們需要大量的前期成本來開發芯片？通過利用這些主要節點的更新，他們可以利用相同或至少類似的設計，而不必花費一大筆錢？

答：沒錯。例如，在我們的客戶升級到 5nm 后，他們可以繼續利用從 N5 到 N5P 的增量增強，當獲得性能提升后，您就可以轉到 N4 和 N4P，并獲得進一步的密度改進。因此，在您跳到主要節點后，這些增量增強使我們的客戶能夠繼續收獲擴展優勢和他們前期的投資。

問：主要節點的這些增強有多少是來自內部出站設計，有多少是來自入站客戶需求？

答：我們與客戶密切合作，選擇正確的技術節點來****他們的產品。這通常基于特定的產品設計，以了解他們在哪里可以最大限度地實現最佳產品水平效益。因此，我們與客戶密切合作，做出正確的選擇。

問：您有收到過顧客什么令人驚奇的要求嗎？

答：不會。我們不想讓客戶感到意外。我們實際上與他們密切合作——我們對客戶保持開放，以確保他們選擇正確的技術。請記住，我們采用的是代工業務模式。我們的目標是幫助客戶實現成功的產品。我的老板經常告訴我：“凱文，你知道，我們從事代工業務，我們共同努力，取得成功，但有一個順序，客戶必須先成功，然后我們才能成功。”

問：我們現在正在參加臺積電歐盟技術研討會；你們剛剛舉行了美國研討會。主要公告是新的主要節點 A16，以及這一代也將推出的全新 Super Power Rail 技術。這些帶來了什么？

答：A16 是一項重大的技術改進，在為未來的高性能應用（尤其是針對 HPC 和 AI 的應用）帶來更多功能和性能方面具有革命性。A16 采用納米片晶體管，這是業界領先且最先進的晶體管架構。

同時，我們還增加了一個非常創新的背面電源軌設計。這種背面電源軌設計允許客戶將電源布線從正面移到背面，從而騰出空間來提高性能，同時改善電源。我們的方法與傳統的 BSPDN 設計非常不同 - 在傳統的背面電源軌中，你只需鉆孔即可將背面金屬連接到正面金屬。這樣做會占用空間，并且必須擴大庫單元的占用空間。但在我們的設計中，我們采用了非常創新的方法 - 我們將觸點或晶體管、晶體管的源極移到背面，而不會改變庫單元的占用空間。因此，這種巧妙的方法使我們能夠保持占用空間，并為客戶提供最大的靈活性

問：這是否意味著為了實現這一目標，傳統的制造步驟會有些混亂？

答：我不想談論這個具體的過程步驟，因為我們的研發團隊不會很高興，但是可以。

問：它就像三明治設計，晶體管、信號和電源。這肯定會增加很多制造成本吧？

答：當然，這肯定會產生相關成本，但如果你看看密度、功率和性能優勢，我認為它的價值超過了成本。這對于高性能計算和人工智能應用尤其重要，因為節能計算是關鍵驅動因素。

問：那么如果有人選擇 A16 節點，他們是否必須攜帶 Super Power Rail？

答：A16 按照定義將擁有超級電源軌，是的。但我們確實提供了技術選項，使我們的客戶能夠繼續利用現有的設計資料，而不必使用背面電源。例如，在電源布線不那么密集的移動應用中，您不必使用背面電源。

問：通常在這些活動中，無論是您還是您的競爭對手，都會在生產前幾年發布公告。那么，我們預計 A16 會在什么時候推出呢？

答：因此，我們的目標是在 2026 年下半年為主要客戶投入 A16 生產。

問：這是否意味著您現在大致處于 PDK 的 0.1 版本？

答：我不想詳細闡述我們的抵押品計劃，但總的來說，我們的抵押品計劃是針對客戶生產天數而設計的。正如我之前所說，我們希望 A16 能在 2026 年下半年投入生產。因此，我們的抵押品計劃將支持這種計劃。

問：我們預計所有產品都將在臺灣生產嗎？

A：A16將在臺灣首發。

問：去年，你們引入了 FINFLEX 這一術語，即利用 N3 并優化鰭片數量以決定是需要高性能還是高效率。現在你們正在使用 N2 實現 NanoFlex。NanoFlex 與我們理解的 FINFLEX 有何不同？

答：這是一種非常創新的方法。您可能聽說過設計技術協同優化 (DTCO)，我們將繼續推動設計與技術之間的協作，以進一步優化我們的技術產品。對于 FINFLEX，在鰭式晶體管架構中，鰭片的數量是數字化的。因此，在過去，在這種創新的 FINFLEX 方法出現之前，您必須使用三個鰭片或四個鰭片，您無法輕松交換它們。我們的 3nm FINFLEX 技術允許設計人員混合搭配不同的基于鰭片的庫設計，但對于納米片，我們稱之為 NanoFlex。這是一個類似的想法，允許設計人員混合搭配不同高度的庫，但它們的片寬度不同，因此您可以交替使用不同的尺寸。不同高度的庫將允許設計人員根據特定的設計目標進行選擇，以實現最佳效益，從而實現更高的功率、更高的性能和更高的密度。

問：那么納米片結構仍然有三片高，這似乎是行業標準？

答：是的，但您可以改變紙張寬度，這決定了圖書館的高度。

問：那么顯然意味著你們也有不同的 VT 選項？NanoFlex 和 VT？

答：是的，作為一名設計師，你確實有很多選擇！

問：CoWoS（晶圓基板芯片）需求旺盛，NVIDIA、AMD、英特爾的需求量都很大。你們在多大程度上能夠滿足市場需求？CoWoS 的擴張進展如何？

答：對我們來說，CoWoS 是 AI 加速器的主力。如果你看看當今所有的大型 AI 加速器設計，它們幾乎都是基于臺積電 N5 或 N4 技術加上 CoWoS。CoWoS 的需求量很大！去年，AI 的激增讓包括我們在內的很多人措手不及。CoWoS 的需求在過去一年中大幅增長。

我們現在正在迅速擴大我們的 CoWoS 產能，我認為我們所說的復合年增長率遠高于 60%。這個數字非常高，但仍在繼續增長。我們與客戶密切合作，確保滿足他們最關鍵的需求。但這是產能方面，CoWoS，即內部能力。我們也在擴大我們的 CoWoS 能力。

如果您看看當今最先進的 AI 加速器，就會發現 CoWoS 中介層尺寸大約是光罩尺寸的 3 倍，而光罩尺寸約為 800 平方毫米-這提供了集成全光罩尺寸 SoC 以及最多 8 個 HBM 堆棧的能力。但在未來，也就是兩年后，我們將能夠將中介層尺寸擴大到光罩尺寸的 4.5 倍，讓我們的客戶能夠集成最多 12 個 HBM 堆棧。我們不會止步于此。我們的研發團隊已經開始將 CoWoS 中介層尺寸擴大到光罩尺寸的 7 倍或 8 倍。

問：12 個 HBM 堆棧夠用嗎？我一直聽說人們想要更多。

答：在本次研討會上，我們還宣布了另一項創新的系統級集成技術，我們稱之為晶圓系統 (SoW)。如果你仔細想想，晶圓加工設備所能制造的最大尺寸是單個 300 毫米晶圓，因此我們將晶圓作為基礎層，并將所有邏輯和高帶寬 DRAM 整合在一起，以集成整個晶圓區域。因此，如果你使用 CoWoS 術語來衡量，中介層尺寸的“X”數是 40 倍，非常龐大。這就是我們為客戶提供的服務，以繼續集成更多計算功能和更多內存帶寬，以滿足未來的 AI 需求。

問：眾所周知，目前有兩家主要公司（Cerebras 和 Tesla）正在研究晶圓級芯片，而且它們都使用你們的產品。在冷卻和電源管理方面，你們為客戶提供了多少幫助？

答：我們與客戶密切合作——我們進行晶圓級集成。客戶顯然必須設計系統級后端，即如何將冷卻劑引入系統。顯然，您需要進行大量合作——我們與系統提供商的客戶密切合作，共同尋找最佳散熱解決方案。

問：這個晶圓系統預計在 2026/2027 年問世嗎？

答：我們已經進行了有限的生產，但正如您所指出的，您知道會有更多的 AI 高性能客戶希望利用這種系統級集成來滿足他們未來的需求。

問：您說的是 3 倍光罩、4.5 倍光罩和 40 倍光罩，那么未來，由于技術（高數值孔徑 EUV）的發展，光罩尺寸必須變得更小，我們是否會說將這個數字翻倍？

答：我希望我們不必縮小標線尺寸！我們看到的是人們希望將它們全部集成在一起，以便它們能夠緊密協作。

問：那么這是否意味著當我們獲得更高效的工藝節點技術時，對計算能力的需求總是在增加？您現在說我們處于晶圓級封裝。極限在哪里？

答：天空是極限。我認為我們將不斷看到對節能計算的需求趨勢——它是永無止境的。如果我們談論的是人工智能模型 ChatGPT，GPT4 已經使用了很多訓練人工智能芯片。因此，我們將繼續在晶體管級別擴展我們的能力——明年我們將有 3nm，然后我們將轉向 2nm，我們的 A16 將繼續在晶體管級別推動節能計算。同時，我們討論 CoWoS 以擴展晶圓級集成。我們還將把光信號引入封裝中。把所有這些放在一起，我們實際上是在談論為客戶提供平臺，使他們能夠集成更多的計算功能和更多的內存帶寬，以滿足未來的人工智能需求。

問：當我與集成板載光學元件的公司交談時，他們正在與你們的競爭對手進行代工。但你們已經從事光學元件行業一段時間了，而且你們擁有這項新技術。

答：它是緊湊型通用光子引擎，也就是 COUPE 的縮寫。

我們從事硅光子學已經有一段時間了。實際上，我們已經為客戶制造了組件，他們將硅光子學與電收發器組合在一起，形成了數據中心廣泛使用的光學可插拔收發器。

但我們今天所做的是更進一步，利用我們最先進的 3D 堆疊技術。我們使用混合鍵合技術將電子芯片和光子芯片更緊密地結合在一起，形成一個小尺寸的光學引擎。這就是進行電子到光子轉換的地方。我們知道電子擅長計算，但光子在信號傳輸方面更勝一籌。因此，通過構建這種緊湊型光學引擎，我們將它集成到先進的封裝中，無論是今天的基板，還是未來可以利用 CoWoS 之類的東西將它們結合在一起，以顯著提高帶寬和功率效率。如果你看看今天的純銅全電子系統，50Tb/s 交換機可以消耗超過 2000 瓦的功率。因此，通過使用這種微小的小型光學引擎，我們實際上可以將功率降低至少 40%。因此，這對于以最低功率實現高數據帶寬非常有效。

問：您最終是否會有一些客戶想要晶圓級技術，而一些客戶則想要光學技術？

答：是的，但我認為關鍵是將它們結合在一起，因為計算仍然必須由電子完成。

問：所以你說的是擁有兩個獨立的芯片，即電子芯片和光學芯片，并使用最先進的混合鍵合技術將它們鍵合在一起，而一些公司表示我們實際上希望將所有這些都放在同一個芯片上。你們能做到嗎？

答：在先進的電子芯片上實現某些光子特性非常困難，單片芯片也很難實現。但是，我認為通過使用我們的混合鍵合技術，我們可以實現幾乎與單片解決方案類似的連接性和功率效率，同時它還允許我們分別優化電子芯片和光子芯片。我認為這就是兩全其美的方法。

問：您談到了用于網絡方面的可插拔收發器，但我們在這里討論的更多是集成光子學、直接將芯片對芯片集成到封裝中。那么可插拔版本呢？

答：實際上，現在已有可插拔版本，如果你看看今天的數據中心，你會發現，使用可插拔版本是主流做法。在板級，是的。因此，你可以在板級將電子轉換為光子。因此，未來，你將在芯片內進行轉換。因此，從芯片發出的信號已經將電子轉換為光子。這就是效率所在。

問：但是它能實現可插入嗎？

答：它已經是可插拔的；它有一個光纖，你可以把它插入你的芯片。你只是不想把它拿出來！

問：我最近參觀了一家晶圓廠，看到了 ASML 最新最棒的產品——新一代高數值孔徑 EUV 機器。英特爾在談論這項技術時直言不諱，并表示他們想成為第一個部署這項技術的公司。臺積電在高數值孔徑方面的官方立場是什么？

答：讓我們回顧一下——臺積電在將 EUV 引入大批量生產方面處于領先地位。回到我們的 7nm 代，我們是業內第一個將 EUV 引入 HVM（大批量生產）環境的公司。就 EUV 的生產使用和生產效率而言，我們今天仍然處于領先地位。我認為我們的研發團隊將繼續研究新的 EUV 功能，顯然包括高 NA EUV。我們將選擇正確的位置來****我們的技術節點。你必須考慮很多因素，顯然是可擴展性因素，還有成本可制造性因素。

問：你們還討論了擴大全球生產，并宣布在全球建立多家新工廠。進展如何？

答：進展非常順利，而且速度也非常快。看看我們的制造足跡，就會發現它已經擴大了不少。僅在過去幾年，我們的亞利桑那州工廠就迅速擴張。我們建造了第一家專注于 4nm 的工廠，明年將投入生產。我們還在那里建造了第二家工廠，并宣布在那里建造第三家工廠。我們將繼續將最先進的節點帶到北美，因為那里是我們最大的客戶群。從 4nm 到 3nm，再到 2nm，甚至未來的 A16。這非常令人興奮！

與此同時，我們正在日本和歐洲拓展我們的專業技術。在日本，熊本項目進展順利，我們將在今年下半年投產。我們將引進最先進的 MCU 嵌入式非易失性存儲器，這對歐洲的汽車行業非常重要。

問：這是否以某種方式延伸到封裝？

答：我們正在評估這個選擇，但與此同時，我認為現在我們正在與我們的合作伙伴密切合作，以提高在美國的生產能力。

問：因為我們正在談論對人工智能和機器學習的需求，您是否通過您的客戶看到臺積電的研發更加側重于滿足這些客戶的需求？

答：人工智能正在成為全球主要的技術平臺，消耗著最先進的硅片。但別忘了移動領域。移動領域仍然是一個大宗消費領域，它也需要最先進的技術。因此，我們正在通過針對不同應用和細分市場的優化技術來滿足所有需求。我們的研發部門與不同應用領域的不同客戶密切合作。所以我認為這是一件非常令人興奮的事情。我們將繼續推動我們的技術定制，以滿足未來的產品需求。