新技術時代的開始,一手掌握台積電 3 奈米製程發展

作者 | 發布日期 2022 年 06 月 17 日 11:50 | 分類 晶圓 , 晶片 , 財經 Telegram share ! follow us in feedly


晶圓代工龍頭台積電 16 日展開 2022 年台積電技術研討會北美場,分享製程技術發展藍圖及未來計畫。關鍵之一就是 3 奈米 (N3) 和 2 奈米 (N2) 等先進節點。幾年內這些節點將用於製造先進 CPU、GPU 和 SoC。

N3:未來三年的五個製程技術

外媒報導,隨著製造技術越來越複雜,發展、研究和開發時間也越來越長。不再看到台積電和其他代工廠每兩年就會出現全新節點。最先進 N3 製程,台積電導入時程擴大到 2.5 年左右,N2 製程更延長到 3 年。

延長導入時程代表台積電需提供 N3 節點加強版,以滿足客戶需求,因客戶仍不斷提升每瓦性能及晶體體密度。另一個原因是 N2 節點依賴奈米片 (Nanosheet) 結構達成全新柵極環繞場效應晶體管 (GAA FET),成本提高,且必須新設計方法、新 IP 和其他變化。雖然先進晶片開發人員將很快轉移到 N2 製程,但台積電普通客戶仍持續使用各種 N3 製程技術。

台積電技術研討會還談到幾年內推出的四種 N3 節點延伸製程,使 N3 節點總計五個製程 N3、N3E、N3P、N3S 和 N3X。N3 延伸製程是為超高性能應用提供改進技術,有更高性能數量的電晶體密度,以及更高增強電壓。所有技術都支援 FinFlex 架構,是台積電的祕密武器,極大化增強設計靈活性,並允許晶片設計人員精確最佳化性能、功耗和成本。

N3 和 N3E:步上量產軌道

台積電第一個 3 奈米級節點稱為 N3,有望下半年量產,實體產品將於 2023 年初交付客戶。主要針對早期使用客戶,可投資領先設計,並從性能、功率、面積 (PPA) 受惠先進節點的優勢。但它是為特定類型應用量身打造,因此 N3 節點應用性較窄,可能不適合所有應用。

這使 N3E 製程有發揮作用的空間,提高性能也降低功耗,且增加應用性,以期提高產量。需考量的是邏輯密度略低,與 N5 製程相較,N3E 電晶體密度提高 1.6 倍,且相同運算速度和複雜性下降低 34% 功耗,或相同功率和複雜性下提升 18% 性能。台積電資料顯示,N3E 比 N4X 運算速度更快,但支援超高驅動電流和 1.2V 以上電壓,雖然性能較好,功耗卻較高。

N3E 製程晶片風險試產將在第二季或第三季開始,量產 2023 年中開始。商用化 N3E 製程晶片 2023 年底或 2024 年初上市。

N3P、N3S 和 N3X:性能、密度、電壓不同提升

N3 節點延伸並不只 N3E,2024 年將推出 N3P 製程,是 N3 製程的性能增強版,另外還有 N3S,是 N3 製程的電晶體密度增強版。台積電並沒有透露相較 N3 製程改變或提升哪些地方,發展藍圖甚至沒有 N3S 製程,無法確認性能。

對功耗和成本都需求超高性能的客戶,台積電提供 N3X 製程。N3X 製程是 N4X 製程接班,但同樣未透露詳細資訊,只表示 N3X 製程支援高驅動電流和電壓,市場推測 N3X 可使用背面供電。目前談論的都是 FinFET 技術的製程節點,台積電預計 N2 節點採用奈米片架構 GAAFET 技術達成背面供電,市場猜測能否達成還不能確定。不過 N3X 製程提升電壓和性能,屆時台積電將具備許多優勢。

FinFlex:N3 製程祕密武器

談到增強性能,就不能不提台積電 N3 製程的祕密武器 FinFlex 技術。簡單說,FinFlex 允許晶片設計人員精確設計結構模組,以具備更高性能、更高密度和更低功耗。台積電 FinFlex 技術允許晶片設計人員在一個模組內混合搭配各類型 FinFET,以精確訂定性能、功耗和晶片面積。對 CPU 核心這樣的複雜結構,最佳化有很多提高核心性能的機會,同時還能最佳化晶片的裸片尺寸。

雖然 FinFlex 技術並不能取代節點升級後性能、密度、電壓變化,但 FinFlex 看來卻是最佳化性能、功率和成本的好方法。台積電 N3 節點製程將透過 FinFlex 使 FinFET 技術更接近採用奈米片的 GAAFET 靈活性,包括提供可調節的通道寬度,以取得更高性能或降低功耗。

最後總結,與 N7 和 N5 節點一樣,N3 將成為台積電另一個持久節點系列。尤其台積電 2 奈米節點轉向奈米片 GAAFET 技術,3 奈米節點系列將成為經典先進 FinFET 技術最後一個系列,許多客戶預定還會採用幾年或更久。反過來這也是台積電為不同應用準備多版 N3 製程系列及 FinFlex 技術的原因,為晶片設計人員提供更多靈活性。

(首圖來源:shutterstock)