近日,台積電在南部科學園區的 Fab 18 新廠,高調舉行了 3nm 的大規模量産及産能擴充儀式。
和過去低調的作風不同,台積電這次的擴廠典禮,可以說是曆年最大規模。
此次台積電投資高達 605 億美元,比在美國亞利桑那州的 400 億美元投資足足高出了 50%,而且美國的 3nm,得等到 2026 年。
在貿易全球化日益陷入危機的環境下,台積電将最先進的 3nm 技術基地留給了自己。用董事長劉德音的在儀式上緻辭的一句話說,這是「台積電對台灣的承諾」。
FinFET 架構「末代皇帝」:性能提升 15%,功耗降低 35%
與此前已廣泛部署在蘋果、高通和 AMD 的産品中的 5nm 節點工藝相比,3nm 節點在性能和效率方面有明顯的提升。
台積電聲稱,基于 3nm 的 N3 工藝将實現 60% 至 70% 的邏輯密度提升,15% 的性能提升,同時比 5nm 的 N5 功耗降低 30% 至 35%,并支持新的 FINFLEX 架構。
由此也實現了自 5nm 工藝的「全節點級别」的性能提升。
值得注意的是,當競争對手三星正在轉向全門控晶體管設計(RibbonFET)時,台積電仍堅持使用久經考驗的 FinFET 晶體管架構。
預計在 2nm 工藝推出之前,新的晶圓廠不會采用 RibbonFET 設計。
不過,最新的 N3 工藝幾乎沒有提供任何有關 SRAM(靜态随機存取存儲器)的擴展。其儲存單元的面積為 0.0199 平方微米,與 N5 的 0.021 平方微米相比,隻小了約 5%。
近年來,在芯片設計上非常倚重 SRAM 來提高性能,目前看這條路線已經接近盡頭,今後進一步提升性能、改善功耗,将不得不依靠對架構本身的改進。
按照此前台積電公布的技術路線圖,N3 系列節點包括 N3B、N3E、N3P、N3X 和 N3S。其中許多是針對特定目的優化的小節點,但有所不同。N3B,即第一代 N3,與 N3E 無關,不如将其視為一個完全不同的節點。
由于良率控制不理想,N3B 預計産量不大,後續叠代的時間窗也比較窄。目前很多廠家都在等待更新的 N3E 節點。
N3E 的位單元尺寸為 0.021 平方微米,與 N5 完全相同,可能意味着台積電已經基本放棄了 SRAM 的擴展這條技術路線。N3E 在良率控制上比 N3B 好得多,預計明年年中量産。
N3P 是 N3E 的後續節點,與 N5P 非常相似,通過優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化。到目前為止,這些後續技術節點的功率、性能目标和時間表尚未公布。
N3S 可能是最終叠代,也是邏輯密度最佳優化的節點,目前具體參數了解不多,有媒體猜測, N3S 可能會采用 Single-Fin Only Library,減低芯片最底層的金屬層高度,在晶體管密度上榨幹「最後一滴油」。
對于台積電來說,N3 将是最後一個基于 FinFET 晶體管的通用節點,也是一個服務了至少 10 年的節點。
新廠封頂 :3nm「搖錢樹」五年産出 1.5 萬億美元
除了宣布 3nm 成功實現大規模量産外,台積電當天還非常隆重地舉行了晶圓十八廠(Fab 18)第八期的封頂儀式。
台積電表示,為了擴大 3nm 芯片的産能,公司将在 Fab 18 上投入超過 1.86 萬億新台币(605 億美元)。
實際上,台積電早已為 3nm 技術和産能擴張奠定了堅實的基礎。
2018 年,這家全球最大的合同芯片制造商便計劃花費 7000 億新台币在台南建造一個「超大型晶圓廠」,也就是晶圓十八廠(Fab 18),來生産 5nm 芯片。當時,台積電就曾透露,會保留工廠一半的空間用于生産 3nm 芯片。
在随後的 2020 年,台積電正式開啟了 5nm 的量産。
而此次高調宣布 3nm 的量産,也是為了逐步替代已經推出超過兩年的 5nm 技術。
台積電主要的 3nm 生産設施:晶圓十八廠(Fab 18)
目前,台積電在 Fab 18 的第一到第八期中,都配置了高達 58,000 平方米的大型無塵室,面積約為标準邏輯工廠的兩倍。
台積電估計,3nm 技術在量産的五年内創造出價值 1.5 萬億美元的終端産品。與此同時,3nm 在量産第一年帶來的營收貢獻也将高于同期的 5nm 制程。
據台媒報道,目前 3nm 的良率推估約落在 60% 至 70%,甚至已超過 7 成。而另一位産業分析師則推估,當前台積電 3nm 的制程良率,可能約落在 75%-80%。
相比起來,三星在今年 6 月實現的 3nm 量産,良率實際上不到 20%,甚至有些晶圓隻有 10% 的良率,且每片的落差很大,品質不一 。
分析師指出:「這代表三星其實不知道問題到底在哪。」由于制程環節繁複,有時可多達 1,000 道步驟,要改善良率并非易事。
全球化「已死」,好技術留給自己
在當今的全球市場中,台積電顯然對公司現在所處的位置很不滿意。
在本月早些時候的一次行業活動中,台積電首席執行官魏哲家就抱怨說,越來越激烈的地緣政治沖突,使公司不再能夠向全世界出售産品。
就在幾周前,台積電創始人張忠謀說得更直接,他認為現在全球化和自由貿易「幾乎已死」。
從台積電高層的表态中不難看出,向外國擴産建廠的巨大風險已經是無可逃避的現實,此次在台灣高調宣布 3nm 量産,除了展示技術優勢外,可能也是處于規避風險的考慮。
本月早些時候,台積電确認,将在美國亞利桑那州鳳凰城建立第二座晶圓廠,2026 年上線後将生産 3nm 芯片。台積電在 2020 年宣布在美建設的第一座工廠預計在 2024 年上線,生産 4nm 芯片。
不過,雖然台積電一直沒有停止在美國擴大産能,還在考慮向歐洲擴張,但更多仍然緻力于台灣地區,将最先進的技術保留給台灣地區的工廠。
而對于美國工廠,按照目前的擴産時間表,美國将在兩年後獲得台積電 4nm 工藝技術,在近三年後獲得 3nm 工藝技術,2nm 工藝技術則暫無計劃。
此前,台積電已經在位于新竹和台灣中部的科技園區為建設 2nm 晶圓廠做準備。
就在這次活動上,台積電宣布,位于新竹科技園的全球研發中心将于 2023 年第二季度正式啟用,将配備 8000 名研發人員。
台積電董事長劉德音在儀式上緻辭
劉德音表示:
「台積電在保持其技術領先地位的同時,在台灣進行了大量投資,繼續投資并與環境共同繁榮。這次 3nm 量産和産能擴張儀式表明,我們正在采取具體行動,在台灣發展先進技術和擴大産能。
我們的目标是與上下遊供應鍊共同成長,培養未來從設計到制造、封裝測試、設備、材料等方面的人才,為全球提供最具競争力的先進工藝技術和可靠産能,推動未來的技術創新。」
他還表示,此次在台灣地區建廠計劃的投資總額将超過 605 億美元,比台積電計劃在美國投資的 400 億美元高出了約 50%,這「顯示了台積電對台灣的承諾」。
成本雖高,客戶排隊購買
有傳言稱,幾乎所有台積電最重要的客戶,包括 AMD、蘋果、博通、英特爾、聯發科、英偉達和高通都對使用台積電的 N3 節點感興趣。
不過很難說這些廠商何時徹底投身台積電的 3 納米浪潮,用在什麼産品上。
蘋果可能是「第一個吃螃蟹的」,将台積電 N3 技術用于其高端 SoC 上。同時,AMD 打算在其将于 2024 年推出的基于 Zen 5 的一些産品中采用 N3,而英偉達可能會在其将于同一時間段推出的基于 Blackwell 架構的下一代 GPU 中使用 N3。
然而,最新的 N3 可不便宜。
一些報道稱,台積電可能會對使用其 3 納米級技術加工的每塊晶圓收取高達 20,000 美元。當然,台積電的定價取決于諸多因素,如産量、設計和規格等等。
來源:eet-China
同時,昂貴的價格也意味着芯片設計公司會更願意把台積電的先進節點保留給高端産品,而主流設備則采用成熟的制造技術。
比如,蘋果就隻在旗艦級的 iPhone 14 Pro 上搭載了基于台積電的 N4(4nm 級)工藝的 A16 芯片。相比之下,标準版的 iPhone 14 則依賴于基于 N5P 技術制造的 A15。
參考資料
https://www.theregister.com/2022/12/29/tsmc_3nm_production_taiwan/
https://www.tomshardware.com/news/tsmc-kicks-off-3nm-production
https://pr.tsmc.com/english/news/2986
本文來自微信公衆号 " 新智元 "(ID:AI_era),作者:David 好困