臺(tái)積電羅鎮(zhèn)球：2022年量產(chǎn)3nm，全新汽車芯片工藝平臺(tái)N5A明年Q3推出

12月22日，中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)2021年會(huì)暨無(wú)錫集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇（ICCAD 2021）舉行。在當(dāng)天上午的主題演講環(huán)節(jié)，臺(tái)積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球做了主題為《半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的新時(shí)代》的主題演講。

在演講當(dāng)中，羅鎮(zhèn)球介紹了臺(tái)積電目前在先進(jìn)制程、先進(jìn)封裝方面的布局，并宣布臺(tái)積電將于明年三季度推出全新的針對(duì)汽車電子的N5A工藝平臺(tái)，該平臺(tái)將完全符合車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

摩爾定律繼續(xù)有效，臺(tái)積電2023年量產(chǎn)3nm

近年來(lái)，隨著晶體管微縮變得越來(lái)越困難，聯(lián)電、格芯相繼放棄10nm以下的先進(jìn)制程的研發(fā)，摩爾定律的頭號(hào)踐行者英特爾在半導(dǎo)體工藝制程的推進(jìn)上也是持續(xù)放緩。業(yè)界出現(xiàn)了眾多關(guān)于“摩爾定律放緩”或者“摩爾定律失效”的說(shuō)法。

對(duì)此，羅鎮(zhèn)球表示，“雖然有很多人說(shuō)摩爾定律在減速或者是在逐漸消失，可是事實(shí)上，臺(tái)積電正在用我們的工藝證明了摩爾定律仍在持續(xù)在往前推進(jìn)。臺(tái)積電的7nm是在2018年推出的，5nm是在2020年推出的，我們?cè)?022年會(huì)如期推出3nm的工藝，而且我們2nm的工藝也在順利研發(fā)。”

眾所周知，對(duì)于工藝制程來(lái)說(shuō)，主要是看三個(gè)方面的指標(biāo)：性能、功耗和面積。從上圖當(dāng)中的數(shù)字，我們可以看到，臺(tái)積電從7nm到5nm再到3nm，單位面積里面的晶體管數(shù)相比上一代都是會(huì)增長(zhǎng)1.7到1.8倍，性能部分每代都會(huì)提升高超過(guò)10%。功耗的部分也和過(guò)去一樣，同樣性能情況下，功耗可以降低20%。

羅鎮(zhèn)球強(qiáng)調(diào)：“即使在疫情期間，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展依然是沒(méi)有減緩，依舊依照著原來(lái)的步調(diào)持續(xù)前進(jìn)。”

雖然近期外界有傳聞稱，臺(tái)積電的3nm工藝開(kāi)發(fā)遭遇困難，可能將導(dǎo)致3nm推出的時(shí)間延期。但是，羅鎮(zhèn)球在會(huì)后接受芯智訊專訪時(shí)表示，那些都只是傳聞，我們會(huì)如期量產(chǎn)3nm。

根據(jù)臺(tái)積電官方的資料顯示，臺(tái)積電的3nm相比上一代的5nm工藝，在邏輯密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下功耗可降低25-30%。

而對(duì)于未來(lái)如何實(shí)現(xiàn)晶體管的進(jìn)一步微縮，羅鎮(zhèn)球透露，這主要有兩個(gè)方向：

1、改變晶體管的結(jié)構(gòu)：目前三星已經(jīng)決定在3nm采用全新的環(huán)繞柵極晶體管（GAA）結(jié)構(gòu)，而臺(tái)積電3nm仍然是鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）結(jié)構(gòu)。不過(guò)，臺(tái)積電研發(fā)Nanosheet/Nanowire的晶體管結(jié)構(gòu)（類似GAA）超過(guò)15年，已經(jīng)達(dá)到非常扎實(shí)的性能。

2、改變晶體管的材料：比如可以采用二維材料來(lái)做晶體管，因?yàn)樽儽×?，電量控制也可以做的更好，而且性能可以更?qiáng)。

“這兩個(gè)方向，臺(tái)積電會(huì)齊頭并進(jìn)。”羅鎮(zhèn)球說(shuō)到。

延續(xù)摩爾定律經(jīng)濟(jì)效益的另一方向：3D封裝

眾所周知，摩爾定律并不僅僅是“每隔18-24個(gè)月晶體管數(shù)量增加一倍”，而且獲得這個(gè)增加一倍的晶體管的價(jià)格還要保持不變。但實(shí)際上，隨著先進(jìn)制程的持續(xù)推進(jìn)，不論是芯片廠商還是消費(fèi)者，所需要付出的成本近年來(lái)是在持續(xù)增長(zhǎng)的。

那么如何來(lái)維持摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益呢？3D封裝技術(shù)！

3D封裝技術(shù)被認(rèn)為是在保持整個(gè)芯片的系統(tǒng)級(jí)性能提升的同時(shí)，成本也能夠得到很好控制的一大解決方案。它可以讓單位體積下的晶體管數(shù)量成倍增長(zhǎng)，且僅部分晶體管可能需要采用先進(jìn)的工藝。

羅鎮(zhèn)球表示，在3D封裝方面，臺(tái)積電已經(jīng)布局了超過(guò)10年。目前，臺(tái)積電已將先進(jìn)封裝相關(guān)技術(shù)整合為“3DFabric”平臺(tái)，針對(duì)前段的整合芯片系統(tǒng)（SoIC），針對(duì)后段封裝的整合型扇出（InFO）以及CoWoS系列家族。

“如果在一些芯片公司的發(fā)布會(huì)上，看到他的封裝面積大于20mm×20mm，那么它大概率采用的是2.5D封裝或者3D封裝技術(shù)做出來(lái)的。未來(lái)大家會(huì)持續(xù)看到更多采用臺(tái)積電3D封裝技術(shù)的產(chǎn)品，不僅面積更小，性能也更強(qiáng)。”羅鎮(zhèn)球說(shuō)道。

集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
 

對(duì)于集成電路技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，羅鎮(zhèn)球認(rèn)為，將會(huì)有三大方向：

1、晶圓制造的晶體管繼續(xù)微縮；2、3D集成，就是把很多芯片堆疊起來(lái)，做一個(gè)立體式的晶圓結(jié)構(gòu)；3、軟件與硬件協(xié)同化設(shè)計(jì)，當(dāng)客戶在定義一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)候，就讓硬件跟軟件研發(fā)人員一起思考這個(gè)問(wèn)題，在做芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候，將其切割成一個(gè)一個(gè)的區(qū)塊（chiplet，芯粒），然后把各個(gè)區(qū)塊的規(guī)格定義出來(lái)，看哪一個(gè)區(qū)塊用什么工藝最合適，這樣就可以高效的使用3D封裝技術(shù)來(lái)以較低的成本實(shí)現(xiàn)符合預(yù)期的性能和功耗。

羅鎮(zhèn)球透露：“目前臺(tái)積電最新推出的芯片，單顆已經(jīng)超過(guò)500億個(gè)晶體管，如果看系統(tǒng)層面的3D IC，目前已經(jīng)推出的最多的是擁有超過(guò)3000億個(gè)晶體管。這是臺(tái)積電目前已經(jīng)做到的，未來(lái)還會(huì)持續(xù)推進(jìn)。”

半導(dǎo)體制造的五大核心

在羅鎮(zhèn)球看來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)有五大個(gè)核心的著重點(diǎn)：一是，性能是否能夠繼續(xù)提升，速度是不是能更快；二是，功耗能不能繼續(xù)降低，更省電。特別是在可穿戴領(lǐng)域，尤為重要；三是，芯片面積能不能繼續(xù)變?。凰氖?，能不能提供一個(gè)完整、全面的工藝平臺(tái)，從而能夠做出一個(gè)完整而高效的產(chǎn)品；五是，產(chǎn)品的質(zhì)量要非常穩(wěn)定，做出來(lái)的產(chǎn)品才安全可靠。

“比如，手機(jī)里面除了有主芯片之外，還有射頻芯片、電源管理芯片、圖像傳感器等等，還包括很多模擬芯片、射頻芯片、嵌入式存儲(chǔ)芯片，同時(shí)還要做人機(jī)交互界面的技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)、聲學(xué)技術(shù)、移動(dòng)追蹤技術(shù)、生物信息識(shí)別技術(shù)，只有將這些芯片和技術(shù)集合在一起，才能做出一個(gè)有用的產(chǎn)品。所以完整、全面的工藝平臺(tái)，對(duì)我們非常重要，不僅是數(shù)字芯片多少納米制程，還要看模擬、射頻、嵌入式存儲(chǔ)等方面的工藝。我覺(jué)得各個(gè)平臺(tái)的工藝要齊頭并進(jìn)，才能做出有效而好用的產(chǎn)品。”羅鎮(zhèn)球進(jìn)一步解釋到。

最先進(jìn)的汽車芯片工藝平臺(tái)N5A

根據(jù)中國(guó)臺(tái)灣媒體的報(bào)道數(shù)據(jù)顯示，全球車用微控制器（MCU）市場(chǎng)近9成集中在全球頂尖的六大IDM廠商，其中外包生產(chǎn)的60%至70%的車用MCU由臺(tái)積電代工。

因此，去年年底爆發(fā)車用芯片緊缺問(wèn)題之后，今年年初，美國(guó)、歐盟等政府紛紛與臺(tái)積電溝通，希望能夠保障汽車芯片供應(yīng)。隨后，臺(tái)積電也開(kāi)始積極的增產(chǎn)車用MCU。此前臺(tái)積電公布的數(shù)據(jù)顯示，今年臺(tái)積電的車用MCU的產(chǎn)量將較去年將提升60%。

需要指出的是，相對(duì)于其他消費(fèi)類的芯片量級(jí)來(lái)說(shuō)，車用半導(dǎo)體目前的市場(chǎng)規(guī)模還是相對(duì)比較小的，而且大部分主要被頭部的IDM廠商所占據(jù)，所以臺(tái)積電等代工廠拿到的車用芯片代工訂單金額也是相對(duì)有限的。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年全球車用半導(dǎo)體的總產(chǎn)值為374億美元，其中臺(tái)積電所貢獻(xiàn)的營(yíng)收僅占全球車用半導(dǎo)體4.07%。

但是，隨著汽車電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化，汽車對(duì)于半導(dǎo)體需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。為此臺(tái)積電也開(kāi)始加大了在汽車電子領(lǐng)域的布局。

在會(huì)后采訪環(huán)節(jié)，羅鎮(zhèn)球也向芯智訊表示，汽車電子是臺(tái)積電非常看好的一個(gè)市場(chǎng)。雖然目前整個(gè)汽車市場(chǎng)的增量已經(jīng)比較有限，但是電動(dòng)汽車對(duì)于傳統(tǒng)燃油車的替代，這個(gè)是一個(gè)非常大的市場(chǎng)，而且每一輛電動(dòng)汽車，隨著智能化、聯(lián)網(wǎng)化，乃至自動(dòng)駕駛水平的提升，對(duì)于汽車半導(dǎo)體需求將是會(huì)呈現(xiàn)很多倍的增長(zhǎng)，所以這個(gè)領(lǐng)域有著非常大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

在此次的ICCAD 2021會(huì)上，羅鎮(zhèn)球公布了臺(tái)積電針對(duì)ADAS和智能數(shù)字駕駛艙的汽車芯片的5nm工藝平臺(tái)“N5A”，這接續(xù)臺(tái)積電在16nm、7nm之后的最先進(jìn)的汽車電子工藝。

據(jù)介紹，N5A將符合AEC-Q100、ISO26262、IATF16949等汽車工藝標(biāo)準(zhǔn)。將會(huì)在2022年三季度推出。

羅鎮(zhèn)球強(qiáng)調(diào)，汽車電子是全世界最講究安全性、可靠性的一種工藝技術(shù)，它會(huì)用在輔助駕駛、智能座艙，或者是未來(lái)的自動(dòng)駕駛上，所有它的安全性和可靠性非常重要，它在這方面的要求要遠(yuǎn)高于性能和功耗。

三年內(nèi)投資1000億美元；2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放

未來(lái)持續(xù)推動(dòng)在先進(jìn)制程、先進(jìn)封裝上研發(fā)，以及產(chǎn)能方面的提升，臺(tái)積電此前就宣布，將在2021、2022、2023年累計(jì)投資超過(guò)1000億美元。

另外，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，以及順應(yīng)全球減碳的大趨勢(shì)，臺(tái)積電已經(jīng)確立了碳排放的長(zhǎng)期目標(biāo)，即在2025年實(shí)現(xiàn)碳排放量零增長(zhǎng)，到2030年碳排放量降至2020年的水平，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

“節(jié)能減排這個(gè)是沒(méi)有辦法妥協(xié)的，這個(gè)是全人類的事情，我們一定會(huì)用最大的力量去節(jié)能減排，因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/492192.html">半導(dǎo)體制造是高能耗的產(chǎn)業(yè)，我們會(huì)致力于節(jié)能減排減廢，讓這個(gè)行業(yè)繼續(xù)的發(fā)展，不會(huì)影響地球環(huán)境。”

作者：芯智訊-浪客劍