臺積電技術路線圖：2納米3納米工藝將按時推出
4月27日消息，臺積電近期更新了其製程工藝路線圖，稱其4納米工藝芯片將在2021年底進入“風險生產”階段，並於2022年實現量產；3納米產品預計在2022年下半年投產， 2納米工藝正在開發中。
在產能方面，沒有任何競爭對手能威脅到臺積電的主導地位，而且未來幾年內也不會。至於製造技術，臺積電最近重申，它有信心其2納米（N2）、3納米（N3）和4納米（N4）工藝將按時推出，並保持比競爭對手更先進節點工藝領先優勢。
今年早些時候，臺積電將2021年的資本支出預算大幅提高到250億至280億美元，最近更是追加到300億美元左右。這是臺積電未來三年增加產能和研發投入計劃的一部分，該公司計劃三年總共投資1000億美元。
在臺積電今年300億美元的資本預算中，約80%將用於擴大先進技術的產能，如3納米、4納米、5納米、6納米以及7納米芯片。華興證券分析師認爲，到今年年底，先進節點上的大部分資金將用於將臺積電的5納米產能擴大到每月11萬至12萬片晶圓。
與此同時，臺積電表示，其資本支出的10%將用於先進的封裝和掩模製造，另外10%將用於支持專業技術開發，包括成熟節點的定製版本。
臺積電最近提高資本支出的舉措是在英特爾宣佈其IDM 2.0戰略(涉及內部生產、外包和代工運營)之後做出的，並在很大程度上重申了該公司在競爭加劇之際對短期和長期未來的信心。
臺積電總裁兼首席執行官魏哲家在最近與分析師和投資者的電話會議上表示：“作爲一家領先的晶圓代工企業，臺積電在成立30多年的歷史中從未缺乏競爭，但我們知道如何競爭。我們將繼續專注於提供領先的技術、卓越的製造服務，並贏得客戶的信任。其中，贏得客戶信任是相當重要的，因爲我們沒有與客戶競爭的內部產品。”
N5工藝贏得客戶信賴
臺積電是2020年中期第一家開始使用其N5工藝技術進行大規模芯片製造(HVM)的公司。最初，該節點僅用於爲臺積電的最重要客戶服務，即蘋果和海思。如今，隨着更多客戶已經準備好各自的N5規格芯片設計，因此該節點的採用正在增長。與此同時，臺積電表示，計劃使用N5系列技術(包括N5、N5P和N4)的客戶比幾個月前預計的要多。
魏哲家說：“N5已經進入量產的第二個年頭，產量比我們最初的計劃要高。在智能手機和高性能計算（HPC）應用的推動下，N5的需求繼續強勁，我們預計2021年N5將貢獻晶圓收入的20%左右。事實上，我們看到N5和N3的客戶越來越多。需求如此之高，我們必須準備好應對的準備。”
對於臺積電來說，HPC應用包括許多不同類型的產品，比如AI加速器、CPU、GPU、FPGA、NPU和視頻遊戲SoC等。由於臺積電只是代工製造商，不會透露它使用哪種節點生產的產品，但N5在HPC領域的採用率正在增長這一事實非常重要。
魏哲家表示：“我們預計，在智能手機和HPC應用需求強勁的推動下，未來幾年對我們N5系列的需求將繼續增長。我們預計HPC不僅會在第一波增長中出現，實際上還會在更多的需求波中出現，以支持我們未來領先的N5節點。”
臺積電N5在尖端技術採用者中的市場份額正在增加，這並不特別令人驚訝。華興資本分析師估計，臺積電N5的晶體管密度約爲每平方毫米1.7億個晶體管，這將使其成爲當今可用密度最高的技術。相比之下，三星電子的5LPE每平方毫米可以容納大約1.25億到1.3億個晶體管，而英特爾的10納米節點晶體管密度大約爲每平方毫米1億個。
在接下來的幾周裡，臺積電將開始使用其名爲N5P的N5改進技術性能增強版來製造芯片，該技術承諾將頻率提高至多5%，或將功耗降低至多10%。N5P爲客戶提供了一條無縫的遷移路徑，無需大量的工程資源投資或更長的設計週期，因此任何使用N5設計的用戶都可以使用N5P。例如，N5的早期採用者可以將他們的IP重新用於N5P芯片。
N4明年將投入量產
臺積電的N5系列技術還包括將在今年晚些時候進入“風險生產”階段，並將在2022年用於批量生產的N4工藝芯片。這項技術將提供比N5更多的PPA(功率、性能、面積)優勢，但保持相同的設計規則、設計基礎設施、SPICE模擬程序和IP。同時，由於N4進一步擴大了EUV光刻工具的使用範圍，它還減少了掩模數量、工藝步驟、風險和成本。
魏哲家說：“N4將利用N5的強大基礎進一步擴大我們的5納米系列技術優勢。N4是從N5直接遷移過來的，具有兼容的設計規則，同時爲下一波5納米產品提供進一步的性能、功率和密度增強。N4的目標是今年下半年進入風險生產階段，2022年實現批量生產。”
到2022年N4產品投入量產時，臺積電將擁有約兩年的N5經驗和三年的EUV經驗。因此，人們的預期是，其收益率將會很高。但是，即使N4被認爲是尖端的，它也不會是臺積電明年提供的最先進製造技術。
N3將於2022年下半年亮相
2022年，臺積電將推出其全新的N3製造工藝，該工藝將繼續使用FinFET晶體管，但預計將提供一整套PPA改進方案。特別是，與目前的N5工藝相比，臺積電的N3承諾將性能提高10%-15%，或者降低25%-30%的功耗。同時，根據結構的不同，新節點還將使晶體管密度提高1.1到1.7倍。
N3將進一步增加EUV層的數量，但將繼續使用DUV光刻。此外，由於該技術始終在使用FinFET，它將不需要從頭開始重新設計的新一代電子設計自動化(EDA)工具和開發全新的IP，相對於三星基於GAAFET/MBCFET的3GAE，這可能更具競爭優勢。
魏哲家表示：“N3將是我們繼N5之後的又一次全面節點跨越，它將使用FinFET晶體管結構爲我們的客戶提供最好的技術成熟度、性能和成本。我們的N3技術開發進展良好。與N5和N7相比，我們繼續看到N3的HPC和智能手機應用客戶參與度要高得多。”
事實上，臺積電聲稱客戶對N3的參與度越來越高，間接地表明瞭其對N3寄予了厚望。魏哲家說：“N3的風險生產預計在2021年啓動，量產目標是在2022年下半年。我們的N3技術推出後，將成爲PPA和晶體管技術中最先進的代工技術。我們有信心，我們的N5和N3都將成爲臺積電大規模和持久使用的節點工藝。”
超越N3
全柵場效應晶體管(GAAFET)仍是臺積電發展路線圖的重要組成部分。該公司預計將在其“後N3”技術(大概是N2)中使用全新的晶體管。事實上，臺積電正處於尋找下一代材料和晶體管結構的階段，這些材料和晶體管結構將在未來許多年內使用。
臺積電在最近的年報中稱：“對於先進的CMOS（互補金屬氧化物半導體），臺積電的3納米和2納米CMOS節點在流水線上進展順利。”此外，臺積電加強的探索性研發工作集中在2納米節點、3D晶體管、新存儲器和Low-R互連等領域，這些領域正在爲引入許多技術平臺奠定堅實的基礎。
值得注意的是，臺積電正在12號工廠擴大研發能力，目前正在研發N3、N2和更先進的節點。
總體而言，臺積電相信，其“大家的晶圓代工廠” (everyone's foundry)戰略將使其在規模、市場份額和銷售額方面進一步增長。該公司還預計，未來將保持其技術領先地位，這對其增長至關重要。
臺積電首席財務官黃文德最近在與分析師和投資者的電話會議上表示：“我們現在預測，2021年全年，代工行業的增長率約爲16%。對於臺積電來說，我們有信心能夠超越晶圓代工行業的整體增長，在2021年實現20%左右的增長。”
該公司擁有強大的技術路線圖，並將繼續每年推出改進的前沿節點，從而以可預測的節奏爲客戶提供技術改進。
臺積電知道如何與擁有尖端節點的競爭對手以及專注於專業工藝技術的芯片製造商競爭，因此它並不認爲英特爾代工服務(IFS)是直接的威脅，特別是因爲後者主要聚焦於尖端和先進的節點。
金融分析師普遍認同臺積電的樂觀態度，主要是因爲預計該公司的N3和N5節點將不會有競爭對手提供類似的晶體管密度和晶圓產能。
華興證券分析師表示：“繼英特爾今年3月宣佈的晶圓代工業務迴歸後，臺積電願意從2021年開始制定爲期3年的1000億美元資本支出和研發投資計劃，這表明其有信心擴大代工領導地位。我們認爲，隨着N3和N5的出現，臺積電的戰略價值也在上升：HPC和智能手機應用的N5生產活動強勁，同時與N5和N7在類似階段相比，N3客戶的參與度更高。” （小小）