幾周前，我們參加了IEDM，臺積電在會上展示了有關其 N3B 和 N3E、3nm 級工藝節(jié)點的許多細節(jié)。此外，臺積電宣布將增加其在亞利桑那州菲尼克斯的資本支出，總計向 Fab 21 第一階段和第二階段投資 400 億美元。該工廠將分別生產(chǎn) N5 和 N3 系列芯片。
本文章將涵蓋工藝節(jié)點過渡、臺積電最先進技術的過高成本，以及它將如何顯著加速行業(yè)向先進封裝和小芯片的轉變。此外，我們將詳細介紹 N5、N4、N3B 和 N3E 的各種間距、特性和 SRAM 單元尺寸。
2018年初，臺積電宣布投資新晶圓廠。這個新站點將擁有其最先進的技術 N5。隨著蘋果和華為承諾在 2020 年生產(chǎn) N5 晶圓，這是進行大規(guī)模擴建的絕佳機會。臺積電表示，他們對 Fab 18 第一至第三階段的投資將超過新臺幣 5000 億元，約合 170 億美元。該站點計劃每月生產(chǎn)超過 80,000 個晶圓。在 2020 年第一季度的財報電話會議上，臺積電確認 N5 正在大批量生產(chǎn)，可能處于第一階段。
盡管臺南科學園區(qū)的 Fab 18 仍將是 N5 生產(chǎn)的主要地點，但臺積電還宣布將其業(yè)務擴展到美國亞利桑那州鳳凰城。2018年年中，臺積電宣布該廠總投資120億美元，月產(chǎn)2萬片晶圓。這座工廠建成后，將成為臺積電在臺灣以外制造的最先進的技術節(jié)點。到 2022 年，臺積電的 N5 產(chǎn)能將遠超每月 12 萬片晶圓，這僅占臺積電 N5 產(chǎn)能的 15% 左右。
乍一看，臺灣臺南 N5 的第 1 至 3 期設施規(guī)模擴大了 4 倍，但成本僅高出 40%，這證明了在沒有大量補貼的情況下在美國建造晶圓廠在經(jīng)濟上沒有意義的論點. 實際上，這些數(shù)字沒有可比性。臺積電為美國晶圓廠提供的數(shù)字包括 2021 年至 2029 年的所有總支出。這遠遠超過了最初的資本支出成本。臺積電給臺灣晶圓廠的數(shù)字只是最初的擴建，沒有其他成本。
應該注意的是，在初始擴建期間，晶圓廠總成本的約 80% 來自設備。此外，超過 60% 的運營成本來自材料、化學品、工具維護和能源投入。無論晶圓廠位于何處，這些成本大多相同（能源確實不同）。
臺積電 3nm 晶圓廠成本
位于臺南科學園區(qū)的 Fab 18 也是生產(chǎn) N3 系列節(jié)點的主要地點。第 4 至第 6 期專供3nm家族使用。位于新竹科學園區(qū)的 Fab 12 第 8 期和第 9 期也將生產(chǎn)該節(jié)點。近日，臺積電又宣布投資Fab 21 Phase 2。?這擴大了其在亞利桑那州的現(xiàn)有工廠，以生產(chǎn) N3 晶圓。亞利桑那州的新計劃將使臺積電的總支出增加到 400 億美元，并將產(chǎn)能增加到每月 50,000 片晶圓。其中 20,000 個仍將是 N5，30,000 個將是 N3。完成后，N3 產(chǎn)能將占臺積電全球 N3 產(chǎn)能的 25%。
這將是臺積電首次分享同一地點不同代工廠之間的完整成本比較。由于成本超支的傳言，臺積電的 N5 晶圓廠成本可能已從最初的120億美元增加到130億美元。最有可能的是，這些成本處于該范圍的中間。
每個晶圓開始的每月總支出從 38% 增加到 55%。這與我們聽到的 N3 定價比 N5 高出約 40% 的其他謠言非常吻合。與DigiTimes 的謠言相反，晶圓價格不是 20,000 美元。
N3 的故事很復雜。最初，考慮到不溫不火的性能、功率和密度改進，N3 的良率和價格都具有挑戰(zhàn)性，超出了大多數(shù)客戶愿意支付的價格。它有大約 25 個 EUV 層，幾乎是 N5 的兩倍。N3 出現(xiàn)了許多問題，最終導致臺積電錯過了典型的 2 年主要工藝節(jié)點發(fā)布周期。對公眾來說最值得注意的變化是，隨著摩爾定律的放緩，蘋果公司被迫徹底改變其產(chǎn)品的芯片計劃。
除了將 N3 從 2022 款 iPhone 推出到 2023 款 Pro iPhone 之外，許多其他客戶也放棄了他們最初的 N3 計劃。關于 Zen 5、英特爾 GPU 和一些 Broadcom 定制 ASIC 存在許多謠言。據(jù)傳，這些公司選擇堅持使用 N5 級工藝節(jié)點或轉向寬松的 N3E 工藝。最初的 N3 被大多數(shù)人稱為 N3B，但 N3E 與 N5 類工藝節(jié)點共享相同的 SRAM 位單元大小，并減少了 EUV 曝光的次數(shù)。
密度的提高充其量只是略高于晶圓成本的增加。通過 FinFlex 2-1 實施，密度提高了 56%，成本增加了 40%。這導致每個晶體管的成本降低了 11%，這是 50 多年來主要工藝技術的最弱擴展。
其他實現(xiàn)要么在每個晶體管的成本上持平，要么甚至為負，但每個晶體管的速度都有更大的改進。請注意，上述一代又一代的改進是使用 Arm Cortex A72 測量的。密度改進將根據(jù)正在實施的 IP 而有所不同。
大多數(shù)芯片設計不會實現(xiàn) 56% 的密度提升，而是低得多，約為 30%。這意味著每個晶體管的成本增加，但公司正在調整設計以確保不會發(fā)生這種情況。這將在工藝技術部分進行解釋。
3nm 實施成本
當采用最先進的工藝技術實現(xiàn)芯片的成本變得更高時，轉向 3nm 或留在 N5 系列的決定變得更加棘手。
我們在上面詳細解釋了這個問題，但在最新的工藝技術中實施產(chǎn)品的固定成本變得如此之大，以至于對公司來說意味著巨大的風險。延遲變得越來越棘手，重新設計的成本越來越高，最糟糕的是，實現(xiàn)每晶體管成本改進所需的體積越來越大。
出于這個原因，許多公司將在未來很長一段時間內堅持使用 N5 級工藝節(jié)點。許多其他公司只會將計算小芯片轉移到 N3 類，同時保留所有其他 IP，例如 SRAM 和模擬的舊工藝技術。臺積電 N3 將導致小芯片和先進封裝的爆炸式增長。
在我們進入 N3 工藝細節(jié)之前，我們想詳細介紹一下 N5 系列，因為它真實地證明了 TSMC 的驚人之處。迭代的不是一個制程節(jié)點，而是最適合每種不同類型客戶需求的許多并發(fā)風格和修改。
5nm工藝族技術詳解
臺積電 N5 系列的一部分包括：N5、N5P、N5A、N4、N4P 和 N4X。除了那些已宣布的變體之外，我們預計臺積電將在未來幾年內發(fā)布 RF 優(yōu)化和泄漏優(yōu)化版本。通過所有這些變體，臺積電希望延長工藝技術的壽命，并將更多客戶推向 N4 節(jié)點，部分原因是它們的生產(chǎn)成本較低，客戶的固定成本也較低。N4 是量產(chǎn)的最新節(jié)點，已在聯(lián)發(fā)科天璣 9200、高通驍龍 8 Gen 2 和 Apple A16 中實現(xiàn)。
N5 是一個工程奇跡，在其發(fā)布時無疑是最先進的節(jié)點。臺積電宣布其邏輯密度將提高 1.84 倍，在相同功耗下性能提升 15%，在相同性能下功耗降低 30%。雖然無數(shù)芯片在性能和功率方面確實得到了改進，但似乎從未實現(xiàn)過規(guī)定的密度增益。
正如 Angstronomics 最近報道的那樣，這是因為臺積電撒謊了。邏輯密度的增益接近 52%。雖然臺積電可能在密度上撒了謊，但臺積電N5仍然是量產(chǎn)中最好的節(jié)點。
N5 的鰭間距為 28nm，僅略低于三星 5LPE，接觸柵極間距為 51nm，僅略低于 Intel 4。通過連續(xù)擴散的新方法，他們設法減小了單元寬度。
N5 在 M0 上的最小金屬間距為 28nm，比 N7 減少了 30%。這將有助于減少可能由信號和電源路由引起的瓶頸。臺積電的 M2 金屬間距為 35 納米，擁有一個 6 軌標準單元，盡可能密集，使用帶有 2 個 PMOS 鰭片和 2 個 NMOS 鰭片的 FinFET。N5 還擁有最小的 6T 高密度 SRAM 位單元，尺寸為 0.021 μm2，低于 Intel 4 的 0.0240 μm2 和三星 4LPE 的 0.0262 μm2 位單元。TSMC 的 6T 高電流 SRAM 位單元也非常小，只有 0.025 μm2，是迄今為止密度第三高的。
N5P是N5的流程優(yōu)化。通過增強工藝的 FEOL 和 MOL，臺積電的性能提高了 7%，功耗降低了 15%。雖然這看起來可能不多，但好處是這種流程優(yōu)化與 N5 是 IP 兼容的。任何 N5 設計都可以輕松移植到 N5P 并看到這些收益。隨著半導體設計固定成本的飆升，其影響不可低估。
N4是N5的另一項工藝優(yōu)化，但它有一個小的設計收縮。這也稱為“nodelet”。通過標準單元庫的優(yōu)化、較小的光學收縮和設計規(guī)則的改變，N4 實現(xiàn)了更好的面積效率。N4 還減少了掩模數(shù)量和工藝復雜性。這使得臺積電能夠以低于每片晶圓 N5 的成本生產(chǎn) N4。
Nikkei Asia曾有傳言稱 Apple A16 的制造成本是其制造商的 2 倍，但這完全是錯誤的。與 N5P 非常相似，通過改進 FEOL 和 MOL 改進了功率和性能特征。
與 TSMC 的其他 nodelet N6 一樣，N4 提供了兩種從現(xiàn)有 N5 設計遷移的方法。兩者都有其權衡取舍。
首先是 RTO 或重新流片，涉及使用與 N5 相同的設計規(guī)則。這更便宜，需要更少的工程，并且提供更少的 N4 的好處。這就是聯(lián)發(fā)科能夠在風險生產(chǎn)后這么快就在“N4”上發(fā)布天璣 9000 的原因。
接下來是 NTO 或新流片，這需要使用 N4 提供的最新庫和更多優(yōu)化來重新實現(xiàn)邏輯塊。這需要更多的工程，但提供了更多的好處，包括較小的面積縮小。
2021 年底，臺積電宣布 N4P?，這是 N4 的工藝優(yōu)化。通過進一步改進 FEOL 和 MOL，TSMC 的性能比 N4 又提高了 6%，功耗比 N5 降低了 22%。
現(xiàn)在進入專業(yè)技術；N5A基于臺積電的N5工藝。這個節(jié)點在技術上并不是特別獨特。但是，它已通過汽車公司在使用工藝節(jié)點時尋求的所有標準的認證。它經(jīng)過優(yōu)化，可以在車輛中長時間（10 年或 20 年）存活而不會降解。
N4X 是臺積電首款 HPC 優(yōu)化制程技術。N4X 針對超過 1.2V 的高壓設備進行了優(yōu)化，性能比 N4P 提高了 4%。FEOL 對鰭片進行了改進，以允許更高的電流、電壓和更高的頻率。金屬堆棧經(jīng)過精心設計，可通過降低電阻和寄生電容來改善這些高性能設備的功率傳輸和信號完整性。金屬堆棧還具有改進的金屬金屬電容器，可通過減少電壓降并將性能進一步提高 2-3% 來提供更強大的電力傳輸。
為了達到如此高的頻率，可能放寬了一些設計規(guī)則，但這可能不是問題，因為高性能設備更受金屬堆疊的限制，無論如何都無法利用密度。在泄漏方面也有一些讓步，必須做出這些讓步才能實現(xiàn)更高的性能。大多數(shù)半導體公司不會使用此節(jié)點，因為他們更喜歡較低的功耗/泄漏，但 N4X 是一些最高性能應用的有力競爭者。
現(xiàn)在，我們將討論 N5 系列節(jié)點的關鍵間距，并專門詳細介紹 TSMC 的 N4 節(jié)點的間距。N5 的高密度 (HD) 庫的鰭間距為 28nm，具有 8 條擴散線，單元高度為 210nm。接觸柵極間距 (CGP) 為 51nm。N5 的高性能 (HP) 庫具有相同的間距，但為 280nm 的單元高度添加了 2 條擴散線。高性能庫還將 CGP 略微放寬至 57nm，從而實現(xiàn)更高的性能。正如臺積電所說，N4 通過光學縮小提供了 6% 的面積減少。為實現(xiàn)這一目標，HD 和 HP 庫的單元高度分別縮小到 206 納米和 274 納米。此外，CGP已經(jīng)縮小到49nm和55nm。
N5 為其最低金屬層提供 28nm 的間距，這是生產(chǎn)中最小的。這也是節(jié)點的最小金屬間距。它還提供 35nm 的金屬 2 間距，這是生產(chǎn)中最小的間距。
正如我們所提到的，N5 在每個 6T HD 和 HP 位單元類別中都具有生產(chǎn)中最密集的位單元。借助 30% 的輔助電路開銷，HD SRAM 密度達到 31.8 Mib/mm2，HP SRAM 密度達到 26.7 Mib/mm2。盡管 N4 并未帶來 SRAM 位單元尺寸的進一步縮小，但臺積電仍處于領先地位。
現(xiàn)在，進入主要吸引力，邏輯密度。雖然這可能是最引人注目的數(shù)字，但它并不能單獨描述一個節(jié)點。必須考慮所有其他特性，從其 SRAM 位單元到功率和性能。這些指標是使用 Bohr 公式計算的，該公式將 60% 的權重分配給小而稀疏的 NAND2 單元，將 40% 的權重分配給大但密集的 Scan Flip-Flop 單元。臺積電在這一指標上處于領先地位，但在其他因素上略遜一籌。
雖然其HD庫的密度是生產(chǎn)中最高的，但其HP庫的密度落后于Intel 4的HP。需要明確的是，根據(jù)英特爾的說法，Intel 4 已經(jīng)“準備好制造”，但真正的大批量生產(chǎn)還需要幾個季度。然而，密度是使用 TSMC 的 N5 系列節(jié)點的最誘人的原因之一。
臺積電的 N5 系列是一組出色的節(jié)點，單靠這些指標并不能說明問題。它在功率、性能、面積、易用性、IP 生態(tài)系統(tǒng)和成本方面的組合是無與倫比的。
N3技術節(jié)點
N3 系列節(jié)點包括 N3B、N3E、N3P、N3X 和 N3S。其中許多是針對特定目的優(yōu)化的小節(jié)點，但有所不同。N3B，即初代的 N3，與 N3E 無關。與其將其視為 nodelet，不如將其視為一個完全不同的節(jié)點。
在 IEDM 2022 上，臺積電透露了 N3B 的一些方面。N3B 具有 45nm 的 CGP，與 N5 相比縮小了 0.88 倍。臺積電還實施了自對準接觸，從而可以更大程度地擴展 CGP。臺積電還展示了 0.0199 μm2 的 6 晶體管高密度 SRAM 位單元。這僅縮小了 5%，這對于 SRAM 未來的擴展來說是個壞兆頭。
近年來，芯片設計人員嚴重依賴 SRAM 來提高性能。SRAM 縮放的消亡帶走了提高性能的一個重要杠桿，并將增加架構在提高功率和性能特征方面的重要性。
與N5相比，臺積電最初表示，N3在同等功率下性能提升約12%，同等性能下功耗降低27%。這將具有 1.2× SRAM 密度和 1.1× 模擬密度。
IEDM 上公開的高密度位單元僅將 SRAM 密度提高了約 5%，與最初聲稱的 20% 相去甚遠。
誰能解釋一下為什么臺積電又不誠實了…………
在 IEDM 期間，臺積電透露 N3B 的 CGP 為 45nm，是迄今為止透露的最密集的。這領先于Intel 4的50nm CGP、三星4LPP的54nm CGP和TSMC N5的51nm CGP。
雖然邏輯密度的增加無疑是有希望的，但低 SRAM 密度增益意味著 SRAM-heavy 設計可能會經(jīng)歷顯著的成本增加。N3B 的良率和金屬堆疊性能也很差。基于這些原因，N3B 不會成為臺積電的主要節(jié)點。
由于 N3B 未能達到 TSMC 的性能、功率和產(chǎn)量目標，因此開發(fā)了 N3E。其目的是修復N3B的缺點。第一個重大變化是金屬間距略有放松。臺積電沒有在 M0、M1 和 M2 金屬層上使用多重圖案化 EUV，而是退縮并切換到單一圖案化。
此外，上一代需要 EUV 雙圖案化的三個關鍵層被單 EUV 圖案化所取代，這降低了工藝復雜性、固有成本和周期時間。
這是在保持功率和性能數(shù)據(jù)相似的同時實現(xiàn)的。邏輯密度也略有下降。此外，使用標準單片芯片（50% 邏輯 + 30% SRAM + 20% 模擬），密度僅增加 1.3 倍。
在 IEDM 期間，臺積電透露 N3E 的位單元尺寸為 0.021 μm2，與 N5 完全相同。這對SRAM來說是毀滅性的打擊。由于良率，臺積電放棄了 SRAM 單元尺寸而不是 N3B。
臺積電表示，256Mb HC/HD SRAM 宏和類似產(chǎn)品的邏輯測試芯片始終表現(xiàn)出比我們上一代更健康的缺陷密度。
N3E 比 N3B 做得好得多，明年年中將量產(chǎn)。對于那些保持跟蹤的人來說，N5 推出已經(jīng) 3 年多了。這是 AMD、Nvidia、Broadcom、Qualcomm、MediaTek、Marvell和許多其他公司最終將使用 N3E 作為其領先優(yōu)勢的節(jié)點。
與臺積電為其 N7 和 N5 系列節(jié)點推出的先前 nodelet 不同，N3E 與 N3B IP 不兼容。這意味著必須重新實現(xiàn) IP 塊。因此，許多公司，例如 GUC，選擇只在更持久的 N3E 節(jié)點上實現(xiàn)他們的 IP。
N3P 將是 N3E 的后續(xù)節(jié)點。它與 N5P 非常相似，通過優(yōu)化提供較小的性能和功率增益，同時保持 IP 兼容性。N3X 與 N4X 類似，并針對非常高的性能進行了優(yōu)化。到目前為止，功率、性能目標和時間表尚未公布。
N3S 是最終公開的變體，據(jù)說是密度優(yōu)化的節(jié)點。目前知道的不多，但有一些謠言。Angstronomics 認為這可能是一個單鰭庫，可以讓臺積電進一步縮小單元高度。由于金屬堆疊的限制因素，這可能會受到限制，但設計會盡可能使用它。N3S 甚至可能實施背面供電網(wǎng)絡來緩解許多金屬堆疊問題，盡管這尚未得到證實。
作為臺積電的最后一個 FinFET 節(jié)點，N3E 及其后續(xù)節(jié)點有機會獲得與臺積電最成功的節(jié)點之一 N28 類似的地位。鑒于其動蕩的歷史，這將是一項艱巨的任務，但臺積電已經(jīng)多次證明了自己的能力，尤其是在其生態(tài)系統(tǒng)方面。
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