臺積電2022年技術(shù)論壇現(xiàn)場：最新產(chǎn)能規(guī)劃、2nm芯片、特色工藝全覆蓋
2022-7-7 15:29:00??????點擊：
臺積電2022年技術(shù)論壇依舊選擇在線舉行。《國際電子商情》第一時間整理了本次技術(shù)論壇的幾大重點板塊，涉及：7nm至2nm先進工藝、產(chǎn)能現(xiàn)狀、包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理芯片在內(nèi)的特色工藝規(guī)劃等。
過去的兩年里，新冠肺炎疫情加速了全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程，影響滲透至各個產(chǎn)業(yè)。在這段時間里，科技的進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。無論是人工智能、5G、還是即將到來的6G技術(shù)，新世界已經(jīng)重新定義了自動駕駛、數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字貨幣、高性能計算(HPC)、氣候變遷等領(lǐng)域。
臺積電總裁魏哲家日前在臺積電2022年技術(shù)論壇上發(fā)表主題演講時稱，“僅在去年一年里，我們就見證了半導(dǎo)體經(jīng)濟架構(gòu)的根本轉(zhuǎn)變”。例如隨著人們對邊緣設(shè)備智能性和數(shù)據(jù)中心大規(guī)模運算能力的需求越來越高，高能效、低能耗、功率效率變得尤為重要。同時，為了實現(xiàn)更優(yōu)異的系統(tǒng)級性能，3D IC在市場上的機會也將同步增長。Allied Market Research預(yù)計，在2022年至2030年之間，3D IC市場的復(fù)合年增長率將超過20%。
他援引Gartner的數(shù)據(jù)稱，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)營收增長率超過25%。該趨勢預(yù)計將在接下來的十年里持續(xù)下去，從而在2030年達到年營收1萬億美元的規(guī)模。
但魏哲家同時指出，其實早在疫情之前，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，只不過疫情加速了這個趨勢。因此，轉(zhuǎn)向增加庫存成為企業(yè)普遍的做法，以盡量減少供應(yīng)中斷，并越來越傾向于更本地化的供應(yīng)鏈。
另一方面，結(jié)構(gòu)性增長導(dǎo)致了先進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)能擴張意味著必須擴建新的晶圓廠。
《國際電子商情》也在第一時間整理了本次技術(shù)論壇的幾大重點板塊，涉及：7nm至2nm先進工藝、產(chǎn)能現(xiàn)狀、包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理芯片在內(nèi)的特色工藝規(guī)劃等。
持續(xù)擴大產(chǎn)能投資
從透露出的信息來看，2018-2022年，臺積電先進制程產(chǎn)能的年復(fù)合成長率為70%，2022年5nm產(chǎn)能會是2020年(量產(chǎn)首年)四倍以上；特色工藝產(chǎn)能占臺積電成熟制程產(chǎn)能的比重將會從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)能會成長14%；EUV機臺總數(shù)量占全球EUV機臺的55%。
與此相對應(yīng)的是，過去三年中，臺積電的資本支出增加了超過一倍，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，主要是為先進工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產(chǎn)能。
在新晶圓廠規(guī)劃方面，在建中的南京28納米晶圓廠預(yù)計于今年第四季度開始量產(chǎn)；美國亞利桑那州的晶圓廠正在興建當中，預(yù)計于2024年量產(chǎn)5納米工藝；日本熊本工廠正在擴廠建設(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)，來滿足全球市場對特殊工藝的強勁需求，預(yù)計于2024年開始量產(chǎn)。
而在臺灣本地，臺南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)計于今年下半年動工，2024年投入量產(chǎn)。
先進封裝方面，目前，臺積電在竹南擁有一座3DFabric的全自動化工廠，將先進測試、SoIC和InFO/CoWoS運作整合在一起。根據(jù)規(guī)劃，臺積電已經(jīng)在2022年開始了SoIC芯片堆棧制造，并計劃在2023年開始3DFabric的全面運作。產(chǎn)能方面，預(yù)計其2022年先進封裝產(chǎn)能將比2018年擴大3倍，并在2026年將產(chǎn)能擴大到20倍以上。
2nm，2025年量產(chǎn)
以穩(wěn)定和可預(yù)測的速度提供領(lǐng)先業(yè)界的技術(shù)發(fā)展，強化每個工藝技術(shù)的性能、功耗和密度(PPA)，同時保持設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)硅IP的再利用，是臺積電在先進工藝方面設(shè)定的目標。
圖源：TSMC
7納米家族
臺積電7nm工藝在2018年進入量產(chǎn)階段，覆蓋智能手機、CPU、GPU和XPU、射頻和消費電子等多個應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計到2022年底以前，產(chǎn)品設(shè)計定案的累積數(shù)量將超過400個。
5納米家族
今年是臺積電5nm技術(shù)進入量產(chǎn)的第三年，智能手機、5G、AI、網(wǎng)絡(luò)和高性能計算產(chǎn)業(yè)是其主要應(yīng)用領(lǐng)域，公司大量生產(chǎn)的經(jīng)驗不僅應(yīng)用于良率的提高，還應(yīng)用于性能、設(shè)計規(guī)則和芯片密度的提升，預(yù)計到今年年底將有超過150個產(chǎn)品設(shè)計定案。
目前，臺積電已經(jīng)將N4、N4P和N4X技術(shù)加入5納米家族，有望為即將到來的5納米產(chǎn)品提供持續(xù)的PPA升級。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%，并同時保持了設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)設(shè)計再利用、更多功能和更佳的規(guī)格提升。
2021年，在16FFC、N7基礎(chǔ)上，臺積電還面向汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用升級推出了最先進的N5A汽車平臺計劃，相關(guān)設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計在今年第三季度通過AEC-Q100 Grade-2等級認證。
3納米家族
臺積電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。目前來看，N3工藝正按計劃順利推進，將于2022年下半年量產(chǎn)，N3E將于2023年下半年量產(chǎn)。
考慮到減少鰭片數(shù)量對提升PPA至關(guān)重要。今年，臺積電在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)計的創(chuàng)新，提供了極致的設(shè)計彈性，在高性能和低功耗兩者間實現(xiàn)了完美的平衡。
圖源：TSMC
通過在一個設(shè)計區(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、功率效率和密度進一步提升，讓芯片設(shè)計人員能夠在相同的芯片上利用相同的設(shè)計工具來選擇最佳的鰭結(jié)構(gòu)支持每一個關(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：
3-2鰭—最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運算需求
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，使N3E實現(xiàn)了從N5的全一代微縮，為移動和HPC應(yīng)用提供了完整的平臺支持，并將具有更強的性能、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)計規(guī)則和新的布局。臺積電一直在與電子設(shè)計自動化伙伴合作，確保所有主要EDA工具都經(jīng)過認證，并針對FINFLEX架構(gòu)進行了優(yōu)化。
2納米家族
在過去的15年中，臺積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并堅信N2是導(dǎo)入納米片晶體管的合適工藝制程。
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)勢擴大到26%。在納米片晶體管和設(shè)計技術(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)按計劃順利推進，預(yù)計于2025年量產(chǎn)。
N2之后的技術(shù)創(chuàng)新
在N2之后，臺積電的創(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，標準半導(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，臺積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面實現(xiàn)突破，在不斷微縮的同時，克服芯片移動性方面的挑戰(zhàn)。
EUV發(fā)展藍圖
為了積極解決關(guān)鍵工藝制程的間距縮小問題，從N7+開始，臺積電開始采用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)，并預(yù)計在2024年引進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。
2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%
近年來，臺積電在特殊技術(shù)的投資的復(fù)合年增長率超過64%，幾乎是過去投資速度的三倍。在接下來的幾年內(nèi)，臺積電預(yù)計會進一步擴增特殊工藝產(chǎn)能，到2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%。
最能說明特殊技術(shù)需求增長的是智能手機和汽車。
智能手機將通過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，為新的和獨特的應(yīng)用提供更先進的信號處理，以及越來越多的PMIC或電源IC。
圖源：TSMC
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、雷達和聯(lián)網(wǎng)性，電動車還需要更多的電源管理IC。
圖源：TSMC
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，臺積電宣布的下一代物聯(lián)網(wǎng)平臺是N6e。N6e以先進的7納米技術(shù)為基礎(chǔ)，將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來更加節(jié)能的運算能力。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。
支持5G和連網(wǎng)性的先進射頻技術(shù)
先進的射頻產(chǎn)品需要更高效能和低功耗的運算能力。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。
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)計將在2023年底前完成。其中，40RRAM的生產(chǎn)自2022年第一季以來持續(xù)在進行當中，在40納米和22納米工藝上都有多款客戶產(chǎn)品設(shè)計定案；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)計在2022年進行消費電子應(yīng)用認證，在2023年進行汽車應(yīng)用認證。
CMOS影像感測
臺積電相信CMOS影像感測的未來在于多晶圓混合堆棧。利用這一先進的晶圓堆棧整合技術(shù)，客戶可以解決像素縮放的問題，同時在傳感器旁邊整合更多的節(jié)能運算能力。
顯示器
在5G、人工智能和AR/VR的推動下，許多新的應(yīng)用對更高分辨率和更低功耗的需求與日俱增。臺積電μDisplay on silicon技術(shù)可以提供高達10倍的像素密度，以實現(xiàn)例如AR和VR中使用的近眼顯示器所需的高分辨率。
3DFabric系統(tǒng)整合解決方案
盡管當前單一芯片可以整合超過500億個晶體管，然而這還是無法滿足超大規(guī)模運算的超高效能需求，以解決癌癥和氣候變遷相關(guān)應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)這樣的運算能力，有效地整合許多小芯片成為新的設(shè)計趨勢。
3DFabric是臺積電推出的系統(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、以及整合型扇出(InFO)和CoWoS先進封裝平臺。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N7-on-N7 SoIC-CoW工藝進行生產(chǎn)，隨后是更先進的硅節(jié)點和更細的鍵合間距。一個成功案例來自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基于SoIC的CPU的3級高速緩存，見證了顯著的效能提升。
圖源：TSMC
下一步，臺積電還計劃與客戶和DRAM伙伴積極合作，確保在HPC和移動應(yīng)用中分別為CoWoS和InFO-PoP/InFO_B提供強大的高帶寬內(nèi)存(HBM)和低功耗DDR整合。
過去的兩年里，新冠肺炎疫情加速了全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程，影響滲透至各個產(chǎn)業(yè)。在這段時間里，科技的進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。無論是人工智能、5G、還是即將到來的6G技術(shù)，新世界已經(jīng)重新定義了自動駕駛、數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字貨幣、高性能計算(HPC)、氣候變遷等領(lǐng)域。
臺積電總裁魏哲家日前在臺積電2022年技術(shù)論壇上發(fā)表主題演講時稱，“僅在去年一年里，我們就見證了半導(dǎo)體經(jīng)濟架構(gòu)的根本轉(zhuǎn)變”。例如隨著人們對邊緣設(shè)備智能性和數(shù)據(jù)中心大規(guī)模運算能力的需求越來越高，高能效、低能耗、功率效率變得尤為重要。同時，為了實現(xiàn)更優(yōu)異的系統(tǒng)級性能，3D IC在市場上的機會也將同步增長。Allied Market Research預(yù)計，在2022年至2030年之間，3D IC市場的復(fù)合年增長率將超過20%。
他援引Gartner的數(shù)據(jù)稱，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)營收增長率超過25%。該趨勢預(yù)計將在接下來的十年里持續(xù)下去，從而在2030年達到年營收1萬億美元的規(guī)模。
但魏哲家同時指出，其實早在疫情之前，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，只不過疫情加速了這個趨勢。因此，轉(zhuǎn)向增加庫存成為企業(yè)普遍的做法，以盡量減少供應(yīng)中斷，并越來越傾向于更本地化的供應(yīng)鏈。
另一方面，結(jié)構(gòu)性增長導(dǎo)致了先進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)能擴張意味著必須擴建新的晶圓廠。
《國際電子商情》也在第一時間整理了本次技術(shù)論壇的幾大重點板塊，涉及：7nm至2nm先進工藝、產(chǎn)能現(xiàn)狀、包括射頻/連網(wǎng)性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理芯片在內(nèi)的特色工藝規(guī)劃等。
持續(xù)擴大產(chǎn)能投資
從透露出的信息來看，2018-2022年，臺積電先進制程產(chǎn)能的年復(fù)合成長率為70%，2022年5nm產(chǎn)能會是2020年(量產(chǎn)首年)四倍以上；特色工藝產(chǎn)能占臺積電成熟制程產(chǎn)能的比重將會從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)能會成長14%；EUV機臺總數(shù)量占全球EUV機臺的55%。
與此相對應(yīng)的是，過去三年中，臺積電的資本支出增加了超過一倍，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，主要是為先進工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產(chǎn)能。
在新晶圓廠規(guī)劃方面，在建中的南京28納米晶圓廠預(yù)計于今年第四季度開始量產(chǎn)；美國亞利桑那州的晶圓廠正在興建當中，預(yù)計于2024年量產(chǎn)5納米工藝；日本熊本工廠正在擴廠建設(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)，來滿足全球市場對特殊工藝的強勁需求，預(yù)計于2024年開始量產(chǎn)。
而在臺灣本地，臺南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)計于今年下半年動工，2024年投入量產(chǎn)。
先進封裝方面，目前，臺積電在竹南擁有一座3DFabric的全自動化工廠，將先進測試、SoIC和InFO/CoWoS運作整合在一起。根據(jù)規(guī)劃，臺積電已經(jīng)在2022年開始了SoIC芯片堆棧制造，并計劃在2023年開始3DFabric的全面運作。產(chǎn)能方面，預(yù)計其2022年先進封裝產(chǎn)能將比2018年擴大3倍，并在2026年將產(chǎn)能擴大到20倍以上。
2nm，2025年量產(chǎn)
以穩(wěn)定和可預(yù)測的速度提供領(lǐng)先業(yè)界的技術(shù)發(fā)展，強化每個工藝技術(shù)的性能、功耗和密度(PPA)，同時保持設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)硅IP的再利用，是臺積電在先進工藝方面設(shè)定的目標。
圖源：TSMC
7納米家族
臺積電7nm工藝在2018年進入量產(chǎn)階段，覆蓋智能手機、CPU、GPU和XPU、射頻和消費電子等多個應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計到2022年底以前，產(chǎn)品設(shè)計定案的累積數(shù)量將超過400個。
5納米家族
今年是臺積電5nm技術(shù)進入量產(chǎn)的第三年，智能手機、5G、AI、網(wǎng)絡(luò)和高性能計算產(chǎn)業(yè)是其主要應(yīng)用領(lǐng)域，公司大量生產(chǎn)的經(jīng)驗不僅應(yīng)用于良率的提高，還應(yīng)用于性能、設(shè)計規(guī)則和芯片密度的提升，預(yù)計到今年年底將有超過150個產(chǎn)品設(shè)計定案。
目前，臺積電已經(jīng)將N4、N4P和N4X技術(shù)加入5納米家族，有望為即將到來的5納米產(chǎn)品提供持續(xù)的PPA升級。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%，并同時保持了設(shè)計規(guī)則的兼容性，以實現(xiàn)設(shè)計再利用、更多功能和更佳的規(guī)格提升。
2021年，在16FFC、N7基礎(chǔ)上，臺積電還面向汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用升級推出了最先進的N5A汽車平臺計劃，相關(guān)設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計在今年第三季度通過AEC-Q100 Grade-2等級認證。
3納米家族
臺積電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。目前來看，N3工藝正按計劃順利推進，將于2022年下半年量產(chǎn)，N3E將于2023年下半年量產(chǎn)。
考慮到減少鰭片數(shù)量對提升PPA至關(guān)重要。今年，臺積電在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)計的創(chuàng)新，提供了極致的設(shè)計彈性，在高性能和低功耗兩者間實現(xiàn)了完美的平衡。
圖源：TSMC
通過在一個設(shè)計區(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、功率效率和密度進一步提升，讓芯片設(shè)計人員能夠在相同的芯片上利用相同的設(shè)計工具來選擇最佳的鰭結(jié)構(gòu)支持每一個關(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：
3-2鰭—最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運算需求
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，使N3E實現(xiàn)了從N5的全一代微縮，為移動和HPC應(yīng)用提供了完整的平臺支持，并將具有更強的性能、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)計規(guī)則和新的布局。臺積電一直在與電子設(shè)計自動化伙伴合作，確保所有主要EDA工具都經(jīng)過認證，并針對FINFLEX架構(gòu)進行了優(yōu)化。
2納米家族
在過去的15年中，臺積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并堅信N2是導(dǎo)入納米片晶體管的合適工藝制程。
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)勢擴大到26%。在納米片晶體管和設(shè)計技術(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)按計劃順利推進，預(yù)計于2025年量產(chǎn)。
N2之后的技術(shù)創(chuàng)新
在N2之后，臺積電的創(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，標準半導(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，臺積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面實現(xiàn)突破，在不斷微縮的同時，克服芯片移動性方面的挑戰(zhàn)。
EUV發(fā)展藍圖
為了積極解決關(guān)鍵工藝制程的間距縮小問題，從N7+開始，臺積電開始采用EUV曝光設(shè)備和多重曝刻技術(shù)，并預(yù)計在2024年引進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。
2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%
近年來，臺積電在特殊技術(shù)的投資的復(fù)合年增長率超過64%，幾乎是過去投資速度的三倍。在接下來的幾年內(nèi)，臺積電預(yù)計會進一步擴增特殊工藝產(chǎn)能，到2025年，特殊工藝產(chǎn)能增加近50%。
最能說明特殊技術(shù)需求增長的是智能手機和汽車。
智能手機將通過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，為新的和獨特的應(yīng)用提供更先進的信號處理，以及越來越多的PMIC或電源IC。
圖源：TSMC
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、雷達和聯(lián)網(wǎng)性，電動車還需要更多的電源管理IC。
圖源：TSMC
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，臺積電宣布的下一代物聯(lián)網(wǎng)平臺是N6e。N6e以先進的7納米技術(shù)為基礎(chǔ)，將為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來更加節(jié)能的運算能力。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。
支持5G和連網(wǎng)性的先進射頻技術(shù)
先進的射頻產(chǎn)品需要更高效能和低功耗的運算能力。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。
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)計將在2023年底前完成。其中，40RRAM的生產(chǎn)自2022年第一季以來持續(xù)在進行當中，在40納米和22納米工藝上都有多款客戶產(chǎn)品設(shè)計定案；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)計在2022年進行消費電子應(yīng)用認證，在2023年進行汽車應(yīng)用認證。
CMOS影像感測
臺積電相信CMOS影像感測的未來在于多晶圓混合堆棧。利用這一先進的晶圓堆棧整合技術(shù)，客戶可以解決像素縮放的問題，同時在傳感器旁邊整合更多的節(jié)能運算能力。
顯示器
在5G、人工智能和AR/VR的推動下，許多新的應(yīng)用對更高分辨率和更低功耗的需求與日俱增。臺積電μDisplay on silicon技術(shù)可以提供高達10倍的像素密度，以實現(xiàn)例如AR和VR中使用的近眼顯示器所需的高分辨率。
3DFabric系統(tǒng)整合解決方案
盡管當前單一芯片可以整合超過500億個晶體管，然而這還是無法滿足超大規(guī)模運算的超高效能需求，以解決癌癥和氣候變遷相關(guān)應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)這樣的運算能力，有效地整合許多小芯片成為新的設(shè)計趨勢。
3DFabric是臺積電推出的系統(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、以及整合型扇出(InFO)和CoWoS先進封裝平臺。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N7-on-N7 SoIC-CoW工藝進行生產(chǎn)，隨后是更先進的硅節(jié)點和更細的鍵合間距。一個成功案例來自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基于SoIC的CPU的3級高速緩存，見證了顯著的效能提升。
圖源：TSMC
下一步，臺積電還計劃與客戶和DRAM伙伴積極合作，確保在HPC和移動應(yīng)用中分別為CoWoS和InFO-PoP/InFO_B提供強大的高帶寬內(nèi)存(HBM)和低功耗DDR整合。
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