在過去的一周里,臺積電舉辦了 2021 年技術研討會,分享了其芯片制造能力和極紫外(EUV)光刻技術進展等細節。目前臺積電擁有全球一半的EUV光刻機,并負責全球一半以上采用先進工藝制造的芯片制造。

 

臺積電介紹了采用先進工藝的產能將保持30%年復合增長率,包括了16nm、12nm、7nm和5nm工藝節點,其中5nm是現階段臺積電客戶使用的Z新技術。到今年年底,臺積電的7nm工藝節點產能將比2018年提高四倍。而5nm工藝節點產能則計劃比去年多一倍,到2023年則多四倍。這些計劃針對的是7nm和5nm工藝節點及其改進型工藝,也就是包括4nm和6nm工藝,4nm會在今年第三季度開始風險量產。

  

臺積電表示,7nm和6nm工藝的缺陷密度持平,但制造的時間會縮短,而5nm和4nm工藝的缺陷密度會比7nm和6nm工藝有所下降,4nm工藝的芯片尺寸將縮小4%。另外3nm工藝節點上,第一年的流片次數是5nm工藝的兩倍多。Wccftech表示,臺積電會在2nm工藝節點上引入納米片晶體管,取代目前的FinFET結構,以更好地控制閾值電壓。2nm工藝仍在研發階段,如果一切順利,將會在2023年試產。

  

臺積電位于中國臺灣臺南的Fab 18晶圓廠將負責3nm工藝芯片的生產,目前還負責制造5nm工藝的產品,并會進一步擴充產能。臺積電計劃在新竹興建一座新的晶圓廠,將被命名為Fab 20,負責2nm工藝的生產。

 

臺積電還解決了當前圍繞半導體需求的問題,并宣布正在建設用于先進封裝生產的新工廠。與首席執行官 CC Wei 博士一起參加主題演講的還有 AMD 首席執行官 Lisa Su 博士、高通公司總裁(即將成為首席執行官)Cristiano Amon 以及 Ambiq 的創始人兼首席技術官 Scott Hanson。

 

作為會議的一部分,臺積電為AnandTech提供了對業務發展高級副總裁 Kevin Zhang 博士和臺積電歐盟總裁 Maria Marced 博士的 30 分鐘采訪,以此作為了解更多臺積電發展方向和合作的機會與行業合作伙伴。臺積電確實要求我們僅就技術問題和與其技術研討會上的公告相關的問題進行提問,而不是討論當前的全球政治話題。

 

 

Kevin Zhang 博士從設計技術團隊提拔后,擔任臺積電業務發展高級副總裁已近一年。在加入臺積電之前,張博士作為英特爾院士在英特爾工作了 11 年,成為技術與制造事業部的副總裁以及電路技術總監。張博士在技術會議和研究期刊上發表了 80 多篇論文,擁有 55 項集成電路技術專利,并擁有電氣工程博士學位。張博士將擔任 ISSCC 2022 的會議主席。

 

Maria Marced 博士是臺積電歐洲總裁,負責推動公司在該地區的戰略和發展,自 2007 年以來一直擔任該職位。在此之前,Marced 博士在 NXP 工作了 4 年,在英特爾工作了 19 年。并擔任類似的Z高職位。Marced 博士擔任 GSA(全球半導體聯盟)的 EMEA 領導委員會主席,是 CEVA 董事會成員,并擁有電信工程博士學位。

 

以下為采訪原文。

 

處于領先地位的臺積電

Ian Cutress:臺積電表示,自 2019 年以來,它一直在內部生產 EUV 薄膜(EUV pellicle ),而臺積電現在正在大幅增加薄膜的生產。在制造中的使用范圍有多大,它如何進一步提升臺積電相對于其他晶圓廠的競爭優勢?

 

Kevin Zhang:我們顯然已經在內部投資了這個領域,我認為這對我們來說是一項非常獨特的技術。我們能夠利用它來實現我們的 EUV 大規模生產。如果你看看我們在 7 nm、6 nm 和現在的 5 nm 上運行的方式,所有這些都使用 EUV,顯然我們取得了巨大的進步。所以這絕對是我們認為我們憑借獨特的技術優勢做得很好的領域。

 

Maria Marced:有一件事,因為我在阿姆斯特丹,所以我們與 ASML 比較接近——我們接受過他們的特殊培訓。我可以告訴你,在內部進行這種生產確實可以讓我們延長mask的使用壽命。通常在 EUV 中,掩膜會變臟,因此,在較短的期限內,這確實有助于我們提高 EUV 和掩膜的生產率。

 

IC:那么,在現場使用它意味著您購買mask的流程減少了,并且由于流程減少而變得更少被污染?

 

MM:沒錯。

 

 

IC:我們通常將復雜的專業技術與領先的客戶聯系起來?紤]到這些客戶往往是低個位數,與開發和探索新技術相比,臺積電如何平衡開發客戶需要的封裝技術?

 

KZ:例如,在領先節點,我們一直是領先者——技術領先者。我們希望繼續推動硅技術的進步,并與主要客戶合作以優化我們的技術。所以這絕對是我們繼續推動未來增長的領域。但話雖如此,我仍然認為專業技術在我們為客戶提供的整體技術中也起著非常重要的作用。我們的許多客戶無法在沒有 20 nm 配套芯片的情況下交付基于 5 nm 的單個芯片。例如,如果您查看手機,就會發現有多個芯片和許多配套芯片。汽車也是一樣——你有一個先進的芯片,但你也需要大量基于成熟技術的微控制器。

 

所以我認為我們在平衡我們的整體技術開發工作方面做得很好。在過去的幾十年里,我們對成熟的技術進行了大量投資。如果您查看我們的整體技術路線圖,我們會提供當今市場上Z先進的專業技術產品。我認為Maria 可能會從歐洲的角度添加一些顏色。

 

MM:我唯一要補充的是,了解客戶的系統復雜性對我們來說非常重要。此外,特別是通過這些技術來完成整個系統的物料清單,它有助于我們更好地了解系統架構的發展方式,從而為我們的客戶做得更好。

 

IC:那么其中有多少取決于客戶的具體要求,而不是研究客戶還不知道他們需要的新技術?

 

KZ:例如,從組織的角度來看,我們有一個單獨的團隊。我們有一個獨立的團隊,一個研究下一代的研究團隊。我們真的很期待探索不同的事物。它還需要大量的市場投入和客戶投入。幫助指導一些探索性工作。所以這是一個非常動態的過程,在我們之間、我們內部以及我們與客戶之間非;。

 

 

IC:臺積電已經非常明確地表示,會繼續使用 FinFET,直至 3 nm,并在 2 nm 時轉向 Gate-All-Around。相比之下,競爭對手在發展的早期階段已經轉向 GAA。您能否描述臺積電如何權衡其希望處于這些先進技術的領先地位,以及為其生產線保持相同的 FinFET?

 

KZ:我們選擇 FinFET 技術作為 3 nm 的原因有兩個。

 

第一,我們必須想辦法將技術改進為更高的能效、更高的性能和內部密度。終端客戶其實并不關心它是 FinFET 還是 Nanosheet。他們想從產品的角度來看待它——可以為客戶帶來什么樣的功率、性能和密度優勢。Z后才是Z重要的。所以我們看看我們的 FinFET 技術,我們看看我們的創新能力,我們發現了一個非常強大的旋鈕,一個創新的旋鈕,它允許我們將 FinFET 技術擴展到 3 nm,同時還實現了實質性的全節點縮放優勢。這就是第一個原因。

 

第二個原因也是時間表。我們希望確保在合適的時間,我們能夠提供Z先進的技術。因此,從先進技術發展的角度來看,可預測性非常重要。我們的客戶非常重視日程安排!因此,將兩者結合起來,我們決定繼續使用 3nm 的 FinFET。我們相信在 2022 年至 2023 年的時間范圍內,我們的 3 nm 將為市場帶來Z先進的邏輯技術。

 

IC:您如何平衡推動工藝密度與設計復雜性,例如 1D 與 2D 金屬布線?目前領先節點有哪些可能性?

 

KZ:我們查看所有不同的指標。歸根結底,我們會真正考慮產品級別、系統級別以及我們可以為客戶帶來什么樣的整體擴展優勢。當我談到擴展優勢時,我指的是整體功耗/性能和成本。這必須在系統級別完成,而不僅僅是在芯片級別。

 

過去,二維縮放主導了一切,但現在我們必須更多地關注系統層面。例如,您注意到我們花費了大量精力和投資來開發芯片級集成方案:我們有 2D、2.5D 和 3D 向前發展。這一切都在發揮作用,為未來提供一個完整的系統級解決方案。我想你會看到越來越多基于先進的芯片級集成技術的應用。晶體管的開發仍然很重要,不要搞錯,這將繼續非常非常重要。為客戶提供Z好的節能晶體管仍然非常重要,但這還不夠。

 

我們著眼于系統級別的整體擴展。在技術、技術的不同方面和產品系統級設計之間進行了大量的協同優化。

 

 

IC:隨著工藝節點的縮小,金屬層上的電阻變得越來越成問題。關于創新的解決方案,以及奇特的材料與銅互連,這只是在這方面進行更多研究的一個案例嗎?或者我們是否需要付出更多的努力來增加和布線更高的金屬層?

 

KZ:我認為在我們先進技術介紹的研究會議上,我們確實介紹了一些后端工作。例如,我們正在繼續優化銅晶界(  copper grain boundary),為我們的整體芯片技術和新技術帶來更低電阻的金屬線。此外,對于電介質,我們繼續尋找創新材料來改善寄生電容中的電介質。所以,這些東西正在被積極研究。

 

3D 集成還可以為后端的整個性能要求提供替代解決方案。您可以改為在 2 維空間中從 A 路由到 B,或者可以在 3 維中將 A 垂直路由到 B。在某些情況下,通過垂直走線,您可以減少 RC 線的總長度,并顯著減少通過延遲。所以所有這些事情都必須向前看。

 

IC:所以看看新技術,當我們超越 Gate-All-Around 時,兩個Z有前途的技術是 2D 晶體管和碳納米管。臺積電Z近發布了一篇關于二維晶體管新發展的論文,引起了很多媒體的關注。你能評論一下看起來更有希望的嗎?

 

KZ:所有這些先進的晶體管材料都有一D的優勢。這就是為什么我們花費早期的研發努力來探索這些,但那些仍然很遙遠。還有很多事情需要更好地理解,尤其是將這些新材料、新架構帶入大規模制造基地需要付出巨大努力。所以我們還有很多工作要做。但好消息是我們并不缺乏新的想法。我們正在探索的新事物很多,它們都有一D的優勢。因此,我們只需要弄清楚如何將它們整合在一起,為我們未來客戶的應用程序提供Z引人注目的整體技術解決方案。

 

IC:關于與 ASML 合作的研究,他們談到了未來的 EUV 發展,例如High NA(數值孔徑)光學。他們一直在和我們談論這件事!但作為其延伸,您能否談談臺積電在后 EUV 技術方面必然會做些什么?

 

KZ:我們著眼于所有不同的技術選項。我們在會議上談到了材料創新,將新材料集成到硅上,使我們能夠實現更好的傳導和更節能的晶體管。這些是我們擁有研究團隊和早期研發團隊來開發和探索所有不同選擇的重要領域。

 

在光刻方面,顯然它仍然是縮放幾何形狀的一個非常重要的部分。因此,我們確實有一個團隊也在研究如何Z大化 EUV,以在未來打印更緊密的間距。所有這些都在為技術選擇的未來而探索。

 

沖出亞洲

IC:關于這些Z先進的技術和領先的能力,在歐洲,我們聽說臺積電的競爭對手正在投資他們的歐洲工廠。我們不一D從臺積電那里聽說過同樣的事情。這有什么特別的原因嗎?或者有什么要宣布的嗎?

 

MM:嗯,我們不排除任何事情。但是,今天,我沒有任何細節可以與您分享!

 

IC:關于您的歐洲客戶 ,只有少數處于領先地位?他們中的大多數都依賴于較舊的工藝技術、專業技術——例如德國的大型汽車工業。我們不一D看到有很多希望從歐洲業務中脫穎而出。你能評論嗎?

 

MM:歐洲的主要領域是汽車、工業,但歐洲也非常重要的領域是物聯網 (IoT)。這些細分市場需要的技術更多是專業方面的,更多的是先進的,不僅是成熟的,而且是先進的技術。

 

IC:我們顯然看到了對人工智能的大量半導體需求。很多客戶都想要領先的解決方案,但也有很多對更成熟節點上的邊緣產品的需求。您能否談談在人工智能方面的需求如何變化方面的發展,也許提到歐盟,因為中國和北美受到關注?

 

MM:嗯,即使在英國,你也有優秀的 AI 公司!您知道其中之一是我們多項計劃的早期采用客戶之一(Ian:Graphcore 已經宣布與臺積電在 3nm 上合作)。但同樣在以色列,我們看到了很多圍繞人工智能的活動。因此,在歐洲、中東和非洲,我們看到人們對人工智能非常感興趣,甚至歐盟也有一些活動傾向于他們所謂的歐洲處理器計劃 ( EPI ),該計劃圍繞人工智能的使用展開。

 

所以是的,我們看到了很多活動。事實上,今天我很自豪,在我在會議上的演講中,我收到了來自巴塞羅那大學的 Matteo Vallejo 的一封電子郵件,該大學對人工智能非常感興趣。所以當然,中國和美國在高性能計算方面總是非常先進,但我們也看到歐洲對人工智能有很多興趣,以及大量的 VC 資金。

 

IC:臺積電喜歡宣傳收入來自哪里,從北美獲得的收入比例似乎在增加,以犧牲歐洲的比例為代價。我們應該考慮歐洲是否有任何逆風或順風?

 

MM:我認為主要原因是因為歐洲的主要細分市場是汽車、工業和物聯網。這些細分市場仍在使用成熟的先進技術和專業技術,而且很多這些終端產品的平均售價較低,這在收入百分比方面造成了很大差異。這是如何向前發展的?快速,因為汽車和工業,特別是作為工業 4.0 和物聯網的一部分,是因為 AI 產品正在快速轉向更先進、更前沿的技術。所以我真的很期待這個比例在未來會發生很大的變化。

 

IC:臺積電擁有三個主要地理區域 ——臺積電亞洲、臺積電北美和臺積電 EMEA。這些獨立組織彼此之間有多少——發生了多少協作?鑒于公司經常在全球或多個市場開展業務,拆分是否正確?

 

MM:哦,這是一個有趣的問題!我真的相信公司是集中的,在英特爾工作了很多年(Maria在英特爾工作了 19 年),我真的相信公司是集中的,并且有一個來自公司領導層的方向。所以我們根本就不是獨立的組織!我們非常依賴對方,我可以告訴你我通常大部分時間都在臺灣旅行——現在與臺灣進行視頻會議。但是我們絕對有一個方向,而且我們可以很好地互補。我認為歐洲正在帶來一些不同的東西,它更多地關注和圍繞專業。這是我們發揮關鍵作用的地方。我們真的是一家有一個方向的公司。

 

建設和擴張

IC:轉向封裝,公司首席執行官提到臺積電有五個晶圓廠支持 SoIC 和一個新的晶圓廠,產能更大。通常我們每個月都會測量晶圓的生產晶圓廠,那么我們應該如何考慮這些新的 SoIC 設施的吞吐量?

 

KZ:我不能給你一個具體的產能數字,但我只能說我們真的在投資我們的后端能力和產能。這是因為我們確實看到了一個趨勢,即越來越多的客戶希望利用我們的高級封裝選項,包括 CoWoS、InFO 以及未來的具有 3D 集成的 SoIC。因此,這就是為什么我們不僅要在研發方面進行投資,還要在產能方面進行投資,為未來的增長做準備。

 

對于 3D 封裝產能指標,這取決于您所做的配置類型。有時,您可能會使用更成熟的節點集成一個非常先進的小芯片,并減去一個或減去兩個節點,因此您可能必須以不同的方式計算總體積。這一切都取決于具體的產品配置。也許在未來,我們將不得不想出一種方法來更好地衡量數量并報告數字。對于定義體積,當你談到3D集成時,可能是我們計算Z終集成部件的數量。

 

IC:臺積電目前有四家封裝廠,第五家(稱為AP6)正在淳安(Chunan)建設。AP6 將擁有臺積電全球 50% 以上的封裝產能。將臺積電所有封裝的大部分集中在一個區域是否有任何積極或消極的影響?

 

KZ:我們做了很多平衡——建立更大規模的制造設施對我們來說是一個優勢。我想你可能已經知道我們今天在大規模建造 Gigafabs。我認為這是我們可以為客戶帶來的關鍵經濟效益,降低成本,也將轉嫁給客戶。但是我們必須考慮如何將其傳播到不同的地方。我們正在這樣做,以確保我們保持一D的平衡。同樣,我們正在離臺灣很遠的亞利桑那州建廠!

 

IC:說到封裝和 OSAT 瓶頸。當與我們的聽眾交談時,他們中的一些人似乎認為這是晶圓吞吐量造成的,而其中一些人認為這歸結為封裝吞吐量。我不一D想問你哪一個是Z瓶頸的,但我想問問臺積電如何提高客戶訂單的吞吐量。我們已經談到了臺積電擴大其封裝能力,但臺積電在這里能做些什么?

 

KZ:我認為在技術方面,您的讀者希望將其視為晶圓技術是瓶頸,或者封裝技術是瓶頸。實際上,我的看法是我們如何找到Z佳解決方案,在系統級別將所有部分組合在一起,以提供Z佳結果。如果你回顧一下半導體技術,它是從二維事物開始的,摩爾定律是關于晶體管密度、縮放比例和經濟性的。但是現在,隨著我們向前發展,我看到整個行業都在朝著更高水平的集成發展。在 ISSCC 等技術會議上,您會看到人們不僅談論晶體管級設計,還談論系統級性能,以及如何將所有功能和所有部件組合在一起。將來,我認為這種趨勢將繼續下去,因此真正要與您的客戶合作,針對他們給定的產品應用,考慮到他們獨特的系統級要求,以及如何以Z佳方式將所有部分組合在一起。這就是我對未來的看法。

 

MM:我們的關鍵是我們合作創新。與我們的客戶合作是我們真正創新的Z佳方式,允許他們進行創新,同時促進我們自己的創新。

 

IC:DTCO(設計技術協同優化)是充分利用前沿技術的一個組成部分。DTCO 是否變得越來越復雜,或者隨著臺積電及其客戶了解實現良好 DTCO 背后的過程,它是否正在加速?你能談談嗎?

 

MM:我們的關鍵是我們合作創新。與我們的客戶合作是我們真正創新的Z佳方式,允許他們進行創新,同時促進我們自己的創新。

 

IC:DTCO(設計技術協同優化)是充分利用前沿技術的一個組成部分。DTCO 是否變得越來越復雜,或者隨著臺積電及其客戶了解實現良好 DTCO 背后的過程,它是否正在加速?你能談談嗎?

 

KZ:我認為我們的客戶在過去幾代人的設計技術協同優化中受益匪淺。展望未來,將有更多 DTCO 要做,我們發現我們的客戶更渴望和愿意與我們合作,以收獲內在的技術優勢。我認為這種趨勢將繼續下去,我認為即使到那時,未來的努力也會更加有力。由于它們需要在技術和設計之間更加緊密地交織在一起,您可以稱之為更難嗎?我認為它會變得更加微妙,我們需要與我們的客戶更密切地合作,共同優化事情,F在您還有高級封裝,因此系統如何劃分其技術可能會有所不同。如果你有一個小芯片,你如何從一開始就在系統級別構建它,