過(guò)去的兩年里，新冠肺炎疫情加速了全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，影響滲透至各個(gè)產(chǎn)業(yè)。在這段時(shí)間里，科技的進(jìn)步大幅地幫助和改變了企業(yè)及人們的工作方式，距離不再成為限制。無(wú)論是人工智能、5G、還是即將到來(lái)的6G技術(shù)，新世界已經(jīng)重新定義了自動(dòng)駕駛、數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字貨幣、高性能計(jì)算(HPC)、氣候變遷等領(lǐng)域。2qMesmc

臺(tái)積電總裁魏哲家日前在臺(tái)積電2022年技術(shù)論壇上發(fā)表主題演講時(shí)稱，“僅在去年一年里，我們就見證了半導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)架構(gòu)的根本轉(zhuǎn)變”。例如隨著人們對(duì)邊緣設(shè)備智能性和數(shù)據(jù)中心大規(guī)模運(yùn)算能力的需求越來(lái)越高，高能效、低能耗、功率效率變得尤為重要。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的系統(tǒng)級(jí)性能，3D IC在市場(chǎng)上的機(jī)會(huì)也將同步增長(zhǎng)。Allied Market Research預(yù)計(jì)，在2022年至2030年之間，3D IC市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò)20%。2qMesmc

他援引Gartner的數(shù)據(jù)稱，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)營(yíng)收增長(zhǎng)率超過(guò)25%。該趨勢(shì)預(yù)計(jì)將在接下來(lái)的十年里持續(xù)下去，從而在2030年達(dá)到年?duì)I收1萬(wàn)億美元的規(guī)模。2qMesmc

但魏哲家同時(shí)指出，其實(shí)早在疫情之前，出于地緣政治的考慮，不少企業(yè)就已經(jīng)開始將供應(yīng)鏈的彈性視為比成本更重要的因素，只不過(guò)疫情加速了這個(gè)趨勢(shì)。因此，轉(zhuǎn)向增加庫(kù)存成為企業(yè)普遍的做法，以盡量減少供應(yīng)中斷，并越來(lái)越傾向于更本地化的供應(yīng)鏈。 2qMesmc

另一方面，結(jié)構(gòu)性增長(zhǎng)導(dǎo)致了先進(jìn)和成熟工藝制程供不應(yīng)求。成熟工藝制程的成本結(jié)構(gòu)現(xiàn)在反映了尖端技術(shù)的情況，在這種情況下，產(chǎn)能擴(kuò)張意味著必須擴(kuò)建新的晶圓廠。2qMesmc

《國(guó)際電子商情》也在第一時(shí)間整理了本次技術(shù)論壇的幾大重點(diǎn)板塊，涉及：7nm至2nm先進(jìn)工藝、產(chǎn)能現(xiàn)狀、包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測(cè)、MEMS和電源管理芯片在內(nèi)的特色工藝規(guī)劃等。2qMesmc

持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能投資

從透露出的信息來(lái)看，2018-2022年，臺(tái)積電先進(jìn)制程產(chǎn)能的年復(fù)合成長(zhǎng)率為70%，2022年5nm產(chǎn)能會(huì)是2020年(量產(chǎn)首年)四倍以上；特色工藝產(chǎn)能占臺(tái)積電成熟制程產(chǎn)能的比重將會(huì)從2018年的45%提升至2022年的63%，與2021年相比，2022年12寸晶圓的特色工藝產(chǎn)能會(huì)成長(zhǎng)14%；EUV機(jī)臺(tái)總數(shù)量占全球EUV機(jī)臺(tái)的55%。2qMesmc

與此相對(duì)應(yīng)的是，過(guò)去三年中，臺(tái)積電的資本支出增加了超過(guò)一倍，從2019年低于150億美元，增加至2021年的300億美元，再到2022年的400-440億美元，主要是為先進(jìn)工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產(chǎn)能。 2qMesmc

在新晶圓廠規(guī)劃方面，在建中的南京28納米晶圓廠預(yù)計(jì)于今年第四季度開始量產(chǎn)；美國(guó)亞利桑那州的晶圓廠正在興建當(dāng)中，預(yù)計(jì)于2024年量產(chǎn)5納米工藝；日本熊本工廠正在擴(kuò)廠建設(shè)，用以提供12/16納米和28納米家族技術(shù)的晶圓制造服務(wù)，來(lái)滿足全球市場(chǎng)對(duì)特殊工藝的強(qiáng)勁需求，預(yù)計(jì)于2024年開始量產(chǎn)。2qMesmc

而在臺(tái)灣本地，臺(tái)南Fab 18第五、六、七、八、九期將成為3nm制程生產(chǎn)基地；新竹Fab 20將成為2nm制程生產(chǎn)基地；位于高雄的Fab 22將增加7nm和28nm產(chǎn)能，預(yù)計(jì)于今年下半年動(dòng)工，2024年投入量產(chǎn)。2qMesmc

先進(jìn)封裝方面，目前，臺(tái)積電在竹南擁有一座3DFabric的全自動(dòng)化工廠，將先進(jìn)測(cè)試、SoIC和InFO/CoWoS運(yùn)作整合在一起。根據(jù)規(guī)劃，臺(tái)積電已經(jīng)在2022年開始了SoIC芯片堆棧制造，并計(jì)劃在2023年開始3DFabric的全面運(yùn)作。產(chǎn)能方面，預(yù)計(jì)其2022年先進(jìn)封裝產(chǎn)能將比2018年擴(kuò)大3倍，并在2026年將產(chǎn)能擴(kuò)大到20倍以上。2qMesmc

2nm，2025年量產(chǎn)

以穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的速度提供領(lǐng)先業(yè)界的技術(shù)發(fā)展，強(qiáng)化每個(gè)工藝技術(shù)的性能、功耗和密度(PPA)，同時(shí)保持設(shè)計(jì)規(guī)則的兼容性，以實(shí)現(xiàn)硅IP的再利用，是臺(tái)積電在先進(jìn)工藝方面設(shè)定的目標(biāo)。2qMesmc

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圖源：TSMC2qMesmc

• 7納米家族

臺(tái)積電7nm工藝在2018年進(jìn)入量產(chǎn)階段，覆蓋智能手機(jī)、CPU、GPU和XPU、射頻和消費(fèi)電子等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)到2022年底以前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案的累積數(shù)量將超過(guò)400個(gè)。2qMesmc

• 5納米家族

今年是臺(tái)積電5nm技術(shù)進(jìn)入量產(chǎn)的第三年，智能手機(jī)、5G、AI、網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)是其主要應(yīng)用領(lǐng)域，公司大量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)不僅應(yīng)用于良率的提高，還應(yīng)用于性能、設(shè)計(jì)規(guī)則和芯片密度的提升，預(yù)計(jì)到今年年底將有超過(guò)150個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案。 2qMesmc

目前，臺(tái)積電已經(jīng)將N4、N4P和N4X技術(shù)加入5納米家族，有望為即將到來(lái)的5納米產(chǎn)品提供持續(xù)的PPA升級(jí)。數(shù)據(jù)顯示，從N5到N4X，產(chǎn)品性能提升了15%，芯片密度提高了6%，并同時(shí)保持了設(shè)計(jì)規(guī)則的兼容性，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)再利用、更多功能和更佳的規(guī)格提升。 2qMesmc

2021年，在16FFC、N7基礎(chǔ)上，臺(tái)積電還面向汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用升級(jí)推出了最先進(jìn)的N5A汽車平臺(tái)計(jì)劃，相關(guān)設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計(jì)在今年第三季度通過(guò)AEC-Q100 Grade-2等級(jí)認(rèn)證。2qMesmc

• 3納米家族

臺(tái)積電3納米工藝技術(shù)將繼續(xù)采用FinFET半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為此工藝的性能和技術(shù)成熟度最能夠滿足產(chǎn)業(yè)的需求。目前來(lái)看，N3工藝正按計(jì)劃順利推進(jìn)，將于2022年下半年量產(chǎn)，N3E將于2023年下半年量產(chǎn)。 2qMesmc

考慮到減少鰭片數(shù)量對(duì)提升PPA至關(guān)重要。今年，臺(tái)積電在3納米技術(shù)基礎(chǔ)上推出了TSMC FINFLEX這一創(chuàng)新型突破架構(gòu)，它結(jié)合了工藝制程和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，提供了極致的設(shè)計(jì)彈性，在高性能和低功耗兩者間實(shí)現(xiàn)了完美的平衡。2qMesmc

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圖源：TSMC2qMesmc

通過(guò)在一個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)塊中混合不同的組件高度，F(xiàn)INFLEX架構(gòu)將3納米家族技術(shù)的產(chǎn)品性能、功率效率和密度進(jìn)一步提升，讓芯片設(shè)計(jì)人員能夠在相同的芯片上利用相同的設(shè)計(jì)工具來(lái)選擇最佳的鰭結(jié)構(gòu)支持每一個(gè)關(guān)鍵功能區(qū)塊，分別有3-2鰭、2-2鰭、以及2-1鰭結(jié)構(gòu)可供選擇：2qMesmc

• 3-2鰭—最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運(yùn)算需求
• 2-2鰭—高效性能，在性能、功率效率和密度之間取得良好的平衡
• 2-1鰭—超高的功效、最低的功耗、最低的漏電和最高的密度

這樣的設(shè)計(jì)，使N3E實(shí)現(xiàn)了從N5的全一代微縮，為移動(dòng)和HPC應(yīng)用提供了完整的平臺(tái)支持，并將具有更強(qiáng)的性能、功率和較低的工藝制程復(fù)雜性。但這種新模式需要新的設(shè)計(jì)規(guī)則和新的布局。臺(tái)積電一直在與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化伙伴合作，確保所有主要EDA工具都經(jīng)過(guò)認(rèn)證，并針對(duì)FINFLEX架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。2qMesmc

• 2納米家族

在過(guò)去的15年中，臺(tái)積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并堅(jiān)信N2是導(dǎo)入納米片晶體管的合適工藝制程。2qMesmc

由于納米片晶體管具有卓越的低Vdd性能，N2在正常Vdd及相同的功耗下，性能提高了15%，在較低的Vdd(0.55V)下，優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大到26%。在納米片晶體管和設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(DTCO)的幫助下，相較于N3E，N2在相同功耗下的速度提升了10-15%，在相同速度下功耗降低25-30%。目前，N2的開發(fā)按計(jì)劃順利推進(jìn)，預(yù)計(jì)于2025年量產(chǎn)。 2qMesmc

• N2之后的技術(shù)創(chuàng)新

在N2之后，臺(tái)積電的創(chuàng)新將集中在新型晶體管結(jié)構(gòu)、新材料、持續(xù)微縮和新導(dǎo)體材料等方面。例如，多年來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體架構(gòu)的演變已經(jīng)從平面式晶體管轉(zhuǎn)至鰭式場(chǎng)效晶體管(FinFET)，并將再次發(fā)展到納米片晶體管。甚至在納米片之外，未來(lái)也還有許多可能的方向，包括CFET(垂直堆棧的nFET和Pfet)。除此之外，臺(tái)積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面實(shí)現(xiàn)突破，在不斷微縮的同時(shí)，克服芯片移動(dòng)性方面的挑戰(zhàn)。 2qMesmc

• EUV發(fā)展藍(lán)圖

為了積極解決關(guān)鍵工藝制程的間距縮小問(wèn)題，從N7+開始，臺(tái)積電開始采用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)，并預(yù)計(jì)在2024年引進(jìn)High-NA EUV曝光設(shè)備，以開發(fā)客戶所需的相關(guān)基礎(chǔ)架構(gòu)和曝刻解決方案，以支持創(chuàng)新。 2qMesmc

2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%

近年來(lái)，臺(tái)積電在特殊技術(shù)的投資的復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)64%，幾乎是過(guò)去投資速度的三倍。在接下來(lái)的幾年內(nèi)，臺(tái)積電預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)增特殊工藝產(chǎn)能，到2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%。2qMesmc

最能說(shuō)明特殊技術(shù)需求增長(zhǎng)的是智能手機(jī)和汽車。2qMesmc

智能手機(jī)將通過(guò)更多的傳感器獲得更多的功能，在不同的頻段有更多的射頻/Wi-Fi連接，為新的和獨(dú)特的應(yīng)用提供更先進(jìn)的信號(hào)處理，以及越來(lái)越多的PMIC或電源IC。2qMesmc

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隨著汽車變得更智能，除了傳統(tǒng)的微控制器之外，它們還需要更多的傳感器、雷達(dá)和聯(lián)網(wǎng)性，電動(dòng)車還需要更多的電源管理IC。2qMesmc

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• 支持物聯(lián)網(wǎng)和邊緣人工智能的超低功率技術(shù)

繼N12e工藝之后，臺(tái)積電宣布的下一代物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是N6e。N6e以先進(jìn)的7納米技術(shù)為基礎(chǔ)，將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)更加節(jié)能的運(yùn)算能力。相較于22ULL，N12e可以提供約1.7倍的閘密度，而N6e將是N12e的3倍左右。 2qMesmc

• 支持5G和連網(wǎng)性的先進(jìn)射頻技術(shù)

先進(jìn)的射頻產(chǎn)品需要更高效能和低功耗的運(yùn)算能力。相較于N16 RF，N6RF的功耗降低49%，面積減少55%，能夠完全抵消Wi-Fi 7增加的功耗/面積需求。 2qMesmc

• MCU/嵌入式非揮發(fā)性內(nèi)存

以MRAM和RRAM為代表的新型嵌入式內(nèi)存技術(shù)，已經(jīng)在22納米和40納米工藝上投產(chǎn)，下一代12RRAM技術(shù)預(yù)計(jì)將在2023年底前完成。其中，40RRAM的生產(chǎn)自2022年第一季以來(lái)持續(xù)在進(jìn)行當(dāng)中，在40納米和22納米工藝上都有多款客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)定案；22MRAM目前正在生產(chǎn)，以支持物聯(lián)網(wǎng)/穿戴式應(yīng)用；而16MRAM則預(yù)計(jì)在2022年進(jìn)行消費(fèi)電子應(yīng)用認(rèn)證，在2023年進(jìn)行汽車應(yīng)用認(rèn)證。 2qMesmc

• CMOS影像感測(cè)

臺(tái)積電相信CMOS影像感測(cè)的未來(lái)在于多晶圓混合堆棧。利用這一先進(jìn)的晶圓堆棧整合技術(shù)，客戶可以解決像素縮放的問(wèn)題，同時(shí)在傳感器旁邊整合更多的節(jié)能運(yùn)算能力。 2qMesmc

• 顯示器

在5G、人工智能和AR/VR的推動(dòng)下，許多新的應(yīng)用對(duì)更高分辨率和更低功耗的需求與日俱增。臺(tái)積電μDisplay on silicon技術(shù)可以提供高達(dá)10倍的像素密度，以實(shí)現(xiàn)例如AR和VR中使用的近眼顯示器所需的高分辨率。 2qMesmc

• 3DFabric系統(tǒng)整合解決方案

盡管當(dāng)前單一芯片可以整合超過(guò)500億個(gè)晶體管，然而這還是無(wú)法滿足超大規(guī)模運(yùn)算的超高效能需求，以解決癌癥和氣候變遷相關(guān)應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)算能力，有效地整合許多小芯片成為新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。 2qMesmc

3DFabric是臺(tái)積電推出的系統(tǒng)整合解決方案，結(jié)合了硅芯片技術(shù)、TSMC-SoIC芯片堆棧平臺(tái)、以及整合型扇出(InFO)和CoWoS先進(jìn)封裝平臺(tái)。其SoIC芯片堆棧晶圓(CoW)開發(fā)從具有9微米鍵合間距的N7-on-N7堆棧開始，并已經(jīng)開始通過(guò)N7-on-N7 SoIC-CoW工藝進(jìn)行生產(chǎn)，隨后是更先進(jìn)的硅節(jié)點(diǎn)和更細(xì)的鍵合間距。一個(gè)成功案例來(lái)自AMD，在采用SoIC-CoW技術(shù)后，他們成功將SRAM堆棧成世界上第一個(gè)基于SoIC的CPU的3級(jí)高速緩存，見證了顯著的效能提升。2qMesmc

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下一步，臺(tái)積電還計(jì)劃與客戶和DRAM伙伴積極合作，確保在HPC和移動(dòng)應(yīng)用中分別為CoWoS和InFO-PoP/InFO_B提供強(qiáng)大的高帶寬內(nèi)存(HBM)和低功耗DDR整合。 2qMesmc