后摩爾定律時代局勢大變 臺積電公布2nm后的發(fā)展路徑圖

今年臺積電技術(shù)論壇上，揭露了2nm后的發(fā)展路徑圖，特殊制程和先進封裝將扮演更重要角色。

今年下半年，臺積電將開始用3nm制程為蘋果制造芯片，接下來2nm制程也將在2025年推出。但隨著半導體線寬微縮越來越逼進物理極限，臺積電還能繼續(xù)維持高速成長，甩開對手嗎？

后摩爾定律時代局勢大變

對臺積電的長期投資者來說，另一個挑戰(zhàn)是，數(shù)十年來推動半導體產(chǎn)業(yè)前進的摩爾定律，效用似乎逐漸降低。過去，半導體產(chǎn)業(yè)每隔一段時間，生產(chǎn)同樣數(shù)量電晶體的成本就會下降一半，但近幾年半導體設(shè)備越來越貴，每片晶圓的售價不斷升高。

5月11日，臺積電在技術(shù)論壇上，對許多未來發(fā)展的關(guān)鍵問題給出了答案。在后摩爾定律時代，臺積電會持續(xù)高速成長，但從材料、技術(shù)到市場，都將出現(xiàn)重大改變。

臺積電總裁魏哲家在開幕演講里明示改變將至。他說，雖然臺積電努力降低成本，但俄烏沖突讓臺積電花比原本高6~7倍價格，才能買到生產(chǎn)晶圓用的氖氣；他半開玩笑地說：“你們老板的腦海里馬上會想，這小子是不是想漲價！”

魏哲家也提到，線寬微縮技術(shù)的空間已經(jīng)越來越少，1臺用來生產(chǎn)高階芯片的EUV（極紫外光曝光機），“價格可以蓋兩百棟房子”，這是他十幾年前想不到的。臺積電用600美元把芯片賣給客戶，做成服務(wù)器后，卻得花20萬美元買，價值增加了330倍。

會中，臺積電打出一張投影片。根據(jù)臺積電的估算，2030年時，全球半導體產(chǎn)值將達1兆美元；這個數(shù)字相當驚人，因為根據(jù)美國半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會估計，2022年時，全球半導體產(chǎn)業(yè)規(guī)模為5741億美元，意指未來7年，半導體產(chǎn)業(yè)還會再成長超過7成。

臺積電預期，未來需求最大的是高性能運算，其次是行動通訊，不過這兩種應(yīng)用的占比和現(xiàn)在差不多，分別為4成和3成；但車用芯片的占比則將翻揚1倍，占市場需求的15%，物聯(lián)網(wǎng)也將占有整個市場10%的需求。

在這次大會中，臺積電也揭露了2nm之后的發(fā)展路徑。臺積電的專家介紹一種稱為CFET的新型電晶體結(jié)構(gòu)，改用這種新設(shè)計，臺積電可以在同樣的面積生產(chǎn)出兩層電晶體結(jié)構(gòu)，運算效能馬上多出1倍。同時，1nm以下，硅的限制越來越大，就要改用納米碳管、二維半導體材料來制造芯片，雖然還要一段時間，但半導體材料發(fā)展將出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)折。

魏哲家強調(diào)，半導體要繼續(xù)進步，除了架構(gòu)要改變，更需要產(chǎn)業(yè)上下游的合作。這次會議中，臺積電展示了新版的3D封裝技術(shù)，原本臺積電的先進封裝技術(shù)可分成SOIC、CoWoS和InFO 3種，現(xiàn)在這3種技術(shù)都分別演化出高性能版和平價版，而且每1種臺積電都能獨立完成制造、封裝、測試。

臺積電副總張曉強表示，這是技術(shù)發(fā)展的需要，因為發(fā)展AI芯片，除了要求提升能源效率、降低耗電率，同時還需要芯片和存儲器的高速整合。像ChatGPT等AI應(yīng)用，都需要計算巨量參數(shù)的變化，邏輯芯片透過先進封裝整合存儲器，需求相當強勁。

節(jié)省能源先進制程關(guān)鍵點

至于摩爾定律未來是否能持續(xù)？張曉強表示：“以前大家理解摩爾定律的時候，是在單一的芯片上看摩爾定律，將來摩爾定律是要在系統(tǒng)階層上面，你如果把先進封裝算進來，摩爾定律的經(jīng)濟效率還是存在的。例如在資料中心，你把今年運算用的芯片，從5nm搬到3nm，光省下的電費就足夠支付你所有芯片的更新。”換句話說，能節(jié)省多少能源，是驅(qū)動先進制程發(fā)展的關(guān)鍵。

今年5月，三星電子會長李在镕和特斯拉執(zhí)行長馬斯克單獨會面，外界解讀是為爭奪車用自駕芯片商機。臺積電也在這次大會上，公布兩種車用芯片的新制程N4AE和N3AE；臺積電表示，過去車用芯片鮮少采用先進制程，由于車用芯片驗證時間長，現(xiàn)在車廠已能用4nm和3nm技術(shù)來設(shè)計車用芯片，等到明后年車用4nm和3nm制程上線，馬上就能生產(chǎn)先進車用芯片，明顯要阻斷三星靠車用芯片超車的計劃。

介入存儲器領(lǐng)域踢館三星

與此同時，臺積電也大力投資特殊制程，在日本等地建立12到28nm成熟制程新廠。臺積電資深處長劉信生比喻，就像人有眼耳鼻舌身意等感知能力，制造這些感測芯片都要靠特殊制程，因此從2017年到2022年，臺積電特殊制程投資的年復合成長率超過4成，而現(xiàn)在到2026年，特殊制程產(chǎn)能還要再增加5成。

這些特殊制程的投資，很多是用來創(chuàng)造更先進的感知能力。劉信生解釋，像智能車、機器人需要更多的攝影鏡頭，這些鏡頭和拍照用的手機不同，要能看到人看不到的訊號，或是未來的鏡頭感測元件里，還可以加上AI邏輯運算，讓AI可以普及到終端裝置上，甚至臺積電也用28nm制程制造顯示器控制電路，這些用在AR裝置上的新型顯示器，解析度可達4000PPI，這足以把1臺4K顯示器放進你的眼鏡。

現(xiàn)在，臺積電也用22、28nm制程制造MRAM和RRAM存儲器，供智能車使用，當三星想用車用芯片攻進臺積電擅長的邏輯領(lǐng)域，臺積電也把影響力延伸至三星擅長的存儲器領(lǐng)域。今年開始，先進封裝和特殊制程都將扮演比過去更重要的角色，而從臺積電產(chǎn)能增加的速度看來，新一輪半導體產(chǎn)值的大成長正剛剛開始。

臺積電為2納米節(jié)點增加兩個變體，英特爾會趕上嗎？

根據(jù)臺積電在加利福尼亞州圣克拉拉舉行的 2023 年北美技術(shù)研討會上提供的詳細信息，臺積電的 2 納米芯片制造工藝（廣為人知的 N2）有望在 2025 年投產(chǎn)。中國臺灣的大型晶圓廠還將在 2026 年為其 N2 技術(shù)添加兩種變體：具有背面供電的 N2P 和用于高性能計算的 N2X。

N2 及其變體將成為臺積電第一個采用環(huán)柵 (GAA) 晶體管（臺積電稱之為納米片晶體管）的制造節(jié)點，以提高邏輯、SRAM 和模擬電路的性能、能效和晶體管密度.GAA 技術(shù)有助于降低漏電流，因為柵極存在于通道的所有四個側(cè)邊。此外，GAA 晶體管提高了調(diào)整通道寬度的能力，以實現(xiàn)更高的性能或更低的功耗。

兩個 N2 變體的發(fā)布是研討會最突出的亮點之一。來源：臺積電

在座談會上，臺積電聲稱其新型納米片晶體管已達到 80% 的目標性能規(guī)格，而 256-Mb SRAM 的平均良率目前超過 50%。而半導體代工廠還有兩年的時間來改善這些數(shù)字。

據(jù)臺積電稱，N2 將在與 N3 相同的功率下提供 10% 至 15% 的性能提升，或者在相同時鐘下將功率降低 25% 至 20%。該工廠還聲稱，對于包含邏輯、SRAM 和模擬的混合芯片，N2 的密度將比 N3E（N3 制造節(jié)點的增強版）高 15%。

座談會主要提供了去年公布的N2工藝節(jié)點的細節(jié)。來源：臺積電

雖然有關(guān)臺積電 N2 技術(shù)的細節(jié)已經(jīng)流傳了一段時間，但隨著這項先進的制造技術(shù)延伸到 2026 年，有關(guān) N2 制造節(jié)點的兩個新版本的公告是最新的。開始研究 2 納米芯片制造的臺積電2020年的工藝，多年來一直不懈地追求這一尖端芯片制造技術(shù)。

以下是有關(guān) N2 制造節(jié)點變體（N2P 和 N2X）的一些詳細信息，它們預計將于 2026 年投入生產(chǎn)，并且在這些節(jié)點上制造的芯片可能會在 2027 年到貨。

N2P制造節(jié)點

早些時候，當臺積電宣布采用納米片設(shè)計的 N2 生產(chǎn)計劃時，它發(fā)誓要在未來的版本中增加背面供電；該版本的 2 納米制造被命名為 N2P。就像英特爾和三星分別采用的PowerVia和BSPDN制造技術(shù)一樣，將晶體管夾在供電網(wǎng)絡(luò)和信號網(wǎng)絡(luò)之間，以提高晶體管性能并降低功耗。

背面供電通過將電源軌移至背面來分離 I/O 和電源布線，解決了后端線路 (BEOL) 中過孔電阻升高等挑戰(zhàn)。因此，當芯片制造商一直在與芯片供電電路中的阻力作斗爭時，背面供電可提高晶體管性能、降低功耗并消除數(shù)據(jù)和電源連接之間的一些潛在干擾。

Applied Materials 估計背面供電有助于減少 20% 到 30% 的邏輯單元面積。盡管臺積電尚未提供有關(guān) N2P 技術(shù)的任何細節(jié)，但發(fā)表在AnandTech上的一份報告稱，背面電源軌可以帶來兩位數(shù)的晶體管密度改進和個位數(shù)的效率提升。

N2X制造節(jié)點

臺積電還在準備 N2X，這是一種為高性能計算 (HPC) 設(shè)備量身定制的制造工藝，例如需要更高電壓和時鐘速度的高端 CPU 和 GPU。N2X 將在 N2P 之后出現(xiàn)，因此有關(guān) HPC 應(yīng)用程序的這種 N2 變體的信息更加稀缺。

英特爾會迎頭趕上嗎？

在這里值得一提的是，英特爾在其 20A 工藝上遵循類似的 2 納米制造工藝軌跡，該工藝還采用背面供電技術(shù)。英特爾計劃在2024年底將其2nm PowerVia制程節(jié)點推向量產(chǎn)，如果這家位于加州圣克拉拉的芯片制造商能夠成功執(zhí)行這一計劃，它將在實施晶背供電傳輸?shù)母傎愔谐芭_積電近兩年。然而，考慮到英特爾在執(zhí)行先進制程節(jié)點方面的發(fā)展記錄，以及其于獲得ASML最新的EUV微影設(shè)備方面的挑戰(zhàn)，能不能做到這一點仍有待觀察。盡管如此，除了三星，臺積電在納米競賽中也出現(xiàn)了第二家競爭對手。

編輯：黃飛