今年臺(tái)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(jìn)封裝將扮演更重要角色。

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

后摩爾定律時(shí)代局勢(shì)大變

對(duì)臺(tái)積電的長(zhǎng)期投資者來(lái)說(shuō)，另一個(gè)挑戰(zhàn)是，數(shù)十年來(lái)推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的摩爾定律，效用似乎逐漸降低。過(guò)去，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)每隔一段時(shí)間，生產(chǎn)同樣數(shù)量電晶體的成本就會(huì)下降一半，但近幾年半導(dǎo)體設(shè)備越來(lái)越貴，每片晶圓的售價(jià)不斷升高。

5月11日，臺(tái)積電在技術(shù)論壇上，對(duì)許多未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題給出了答案。在后摩爾定律時(shí)代，臺(tái)積電會(huì)持續(xù)高速成長(zhǎng)，但從材料、技術(shù)到市場(chǎng)，都將出現(xiàn)重大改變。

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

魏哲家也提到，線寬微縮技術(shù)的空間已經(jīng)越來(lái)越少，1臺(tái)用來(lái)生產(chǎn)高階芯片的EUV（極紫外光曝光機(jī)），“價(jià)格可以蓋兩百棟房子”，這是他十幾年前想不到的。臺(tái)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(wàn)美元買，價(jià)值增加了330倍。

會(huì)中，臺(tái)積電打出一張投影片。根據(jù)臺(tái)積電的估算，2030年時(shí)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)值將達(dá)1兆美元；這個(gè)數(shù)字相當(dāng)驚人，因?yàn)楦鶕?jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，2022年時(shí)，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模為5741億美元，意指未來(lái)7年，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還會(huì)再成長(zhǎng)超過(guò)7成。

臺(tái)積電預(yù)期，未來(lái)需求最大的是高性能運(yùn)算，其次是行動(dòng)通訊，不過(guò)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(yáng)1倍，占市場(chǎng)需求的15%，物聯(lián)網(wǎng)也將占有整個(gè)市場(chǎng)10%的需求。

在這次大會(huì)中，臺(tái)積電也揭露了2nm之后的發(fā)展路徑。臺(tái)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(jì)，臺(tái)積電可以在同樣的面積生產(chǎn)出兩層電晶體結(jié)構(gòu)，運(yùn)算效能馬上多出1倍。同時(shí)，1nm以下，硅的限制越來(lái)越大，就要改用納米碳管、二維半導(dǎo)體材料來(lái)制造芯片，雖然還要一段時(shí)間，但半導(dǎo)體材料發(fā)展將出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)折。

魏哲家強(qiáng)調(diào)，半導(dǎo)體要繼續(xù)進(jìn)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(huì)議中，臺(tái)積電展示了新版的3D封裝技術(shù)，原本臺(tái)積電的先進(jìn)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(jià)版，而且每1種臺(tái)積電都能獨(dú)立完成制造、封裝、測(cè)試。

臺(tái)積電副總張曉強(qiáng)表示，這是技術(shù)發(fā)展的需要，因?yàn)榘l(fā)展AI芯片，除了要求提升能源效率、降低耗電率，同時(shí)還需要芯片和存儲(chǔ)器的高速整合。像ChatGPT等AI應(yīng)用，都需要計(jì)算巨量參數(shù)的變化，邏輯芯片透過(guò)先進(jìn)封裝整合存儲(chǔ)器，需求相當(dāng)強(qiáng)勁。

節(jié)省能源先進(jìn)制程關(guān)鍵點(diǎn)

至于摩爾定律未來(lái)是否能持續(xù)？張曉強(qiáng)表示：“以前大家理解摩爾定律的時(shí)候，是在單一的芯片上看摩爾定律，將來(lái)摩爾定律是要在系統(tǒng)階層上面，你如果把先進(jìn)封裝算進(jìn)來(lái)，摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效率還是存在的。例如在資料中心，你把今年運(yùn)算用的芯片，從5nm搬到3nm，光省下的電費(fèi)就足夠支付你所有芯片的更新?！睋Q句話說(shuō)，能節(jié)省多少能源，是驅(qū)動(dòng)先進(jìn)制程發(fā)展的關(guān)鍵。

今年5月，三星電子會(huì)長(zhǎng)李在镕和特斯拉執(zhí)行長(zhǎng)馬斯克單獨(dú)會(huì)面，外界解讀是為爭(zhēng)奪車用自駕芯片商機(jī)。臺(tái)積電也在這次大會(huì)上，公布兩種車用芯片的新制程N(yùn)4AE和N3AE；臺(tái)積電表示，過(guò)去車用芯片鮮少采用先進(jìn)制程，由于車用芯片驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)在車廠已能用4nm和3nm技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)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(jìn)車用芯片，明顯要阻斷三星靠車用芯片超車的計(jì)劃。

介入存儲(chǔ)器領(lǐng)域踢館三星

與此同時(shí)，臺(tái)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(tái)積電資深處長(zhǎng)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(cè)芯片都要靠特殊制程，因此從2017年到2022年，臺(tái)積電特殊制程投資的年復(fù)合成長(zhǎng)率超過(guò)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(lái)創(chuàng)造更先進(jìn)的感知能力。劉信生解釋，像智能車、機(jī)器人需要更多的攝影鏡頭，這些鏡頭和拍照用的手機(jī)不同，要能看到人看不到的訊號(hào)，或是未來(lái)的鏡頭感測(cè)元件里，還可以加上AI邏輯運(yùn)算，讓AI可以普及到終端裝置上，甚至臺(tái)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(dá)4000PPI，這足以把1臺(tái)4K顯示器放進(jìn)你的眼鏡。

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

臺(tái)積電為2納米節(jié)點(diǎn)增加兩個(gè)變體，英特爾會(huì)趕上嗎？

根據(jù)臺(tái)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(huì)上提供的詳細(xì)信息，臺(tái)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(guó)臺(tái)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(jì)算的 N2X。

N2 及其變體將成為臺(tái)積電第一個(gè)采用環(huán)柵 (GAA) 晶體管（臺(tái)積電稱之為納米片晶體管）的制造節(jié)點(diǎn)，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?yàn)闁艠O存在于通道的所有四個(gè)側(cè)邊。此外，GAA 晶體管提高了調(diào)整通道寬度的能力，以實(shí)現(xiàn)更高的性能或更低的功耗。

兩個(gè) N2 變體的發(fā)布是研討會(huì)最突出的亮點(diǎn)之一。來(lái)源：臺(tái)積電

在座談會(huì)上，臺(tái)積電聲稱其新型納米片晶體管已達(dá)到 80% 的目標(biāo)性能規(guī)格，而 256-Mb SRAM 的平均良率目前超過(guò) 50%。而半導(dǎo)體代工廠還有兩年的時(shí)間來(lái)改善這些數(shù)字。

據(jù)臺(tái)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(shí)鐘下將功率降低 25% 至 20%。該工廠還聲稱，對(duì)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(diǎn)的增強(qiáng)版）高 15%。

座談會(huì)主要提供了去年公布的N2工藝節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)。來(lái)源：臺(tái)積電

雖然有關(guān)臺(tái)積電 N2 技術(shù)的細(xì)節(jié)已經(jīng)流傳了一段時(shí)間，但隨著這項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)延伸到 2026 年，有關(guān) N2 制造節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)新版本的公告是最新的。開始研究 2 納米芯片制造的臺(tái)積電2020年的工藝，多年來(lái)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(diǎn)變體（N2P 和 N2X）的一些詳細(xì)信息，它們預(yù)計(jì)將于 2026 年投入生產(chǎn)，并且在這些節(jié)點(diǎn)上制造的芯片可能會(huì)在 2027 年到貨。

N2P制造節(jié)點(diǎn)

早些時(shí)候，當(dāng)臺(tái)積電宣布采用納米片設(shè)計(jì)的 N2 生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，它發(fā)誓要在未來(lái)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(hào)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(guò)將電源軌移至背面來(lái)分離 I/O 和電源布線，解決了后端線路 (BEOL) 中過(guò)孔電阻升高等挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)芯片制造商一直在與芯片供電電路中的阻力作斗爭(zhēng)時(shí)，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(jì)背面供電有助于減少 20% 到 30% 的邏輯單元面積。盡管臺(tái)積電尚未提供有關(guān) N2P 技術(shù)的任何細(xì)節(jié)，但發(fā)表在AnandTech上的一份報(bào)告稱，背面電源軌可以帶來(lái)兩位數(shù)的晶體管密度改進(jìn)和個(gè)位數(shù)的效率提升。

N2X制造節(jié)點(diǎn)

臺(tái)積電還在準(zhǔn)備 N2X，這是一種為高性能計(jì)算 (HPC) 設(shè)備量身定制的制造工藝，例如需要更高電壓和時(shí)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(huì)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(jì)劃在2024年底將其2nm PowerVia制程節(jié)點(diǎn)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(jì)劃，它將在實(shí)施晶背供電傳輸?shù)母?jìng)賽中超前臺(tái)積電近兩年。然而，考慮到英特爾在執(zhí)行先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)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(diǎn)仍有待觀察。盡管如此，除了三星，臺(tái)積電在納米競(jìng)賽中也出現(xiàn)了第二家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

編輯：黃飛