臺積電論壇大秀技術力 4奈米將在2021 Q3進行試產
記者高兆麟／綜合報導
臺積電今(2)日舉辦線上技術論壇，總裁魏哲家表示臺積電目前已出貨10億顆7奈米晶片，但同時公司也在爲未來發展做準備，從7奈米推進至5奈米， 接下來則是3奈米制程，預計2020年下半年在Fab18量產。
臺積電表示，COVID-19疫情加速了數位化的腳步，並對所有產業皆造成衝擊，與數位化轉型相關的投資激增，即使在 COVID-19 疫情之後，這類投資仍將持續，從而創造數位全球經濟。因此，高效能運算應用已成爲驅動半導體技術的主要動能之一，並且需要先進技術才能提供具有競爭力的效能，臺積電也認爲還需要檢驗功耗效率，因爲數十億臺連網裝置可能導致能源消耗的爆炸性增長。根據外界預估，2010年至2030年間，資料中心全球用電量將成長介於5至40倍之間。
▲臺積電已透過N5A將5奈米制程擴展至車用領域，支援AI導向先進駕駛輔助系統（ADAS）和數位座艙的運算需求，並獲得了汽車等級認證。（圖／臺積電提供）
臺積電也指出，公司已出貨10億顆7奈米晶片，但同時也在爲未來發展做準備，從7奈米推進至5奈米，接下來則是3奈米制程。其中N5已在晶圓十八廠量產，臺積電已透過N5A將5奈米制程擴展至車用領域，支援AI導向先進駕駛輔助系統（ADAS）和數位座艙的運算需求，並獲得了汽車等級認證。N3預計於2022年下半年在晶圓十八廠量產。
臺積電也解釋各製程的細節資訊，有關7奈米系列，臺積電已經出貨超過10億顆7奈米系列製程晶片予客戶。至於5奈米系列，臺積電表示，N5是公司5奈米系列中的第一款製程技術，爲滿足產品上市需求，其產量創下了歷史新高，目前亦爲業界量產中最先進的邏輯技術。目前N4開發符合進度，其裸晶面積比 N5 小 6%，複雜度更低，效能更佳。公司預計N4在相容的設計法則下，其良率表現將可達到與 N5 相同的水準，目標於 2021 年第三季進行試產。
至於外界相當關注的3奈米系列，臺積電表示，我們已經完成支援智慧型手機和 HPC 應用的 N3 平臺。N3 提供比 N5 快10% 到 15% 的速度，功耗降低 25% 到 30%，邏輯密度則提升 1.7 倍。在仔細評估客戶的需求、技術效能和成熟度之後，我們的 N3 將繼續使用FinFET 電晶體架構。在 2022 年進入量產時，它將成爲世界上最先進的技術。對於 N3 之後更先進的技術，我們在奈米層片裝置方面取得了重大突破，它提供了短通道控制，爲在低電壓下實現良好效能提供了機會。我們期望能夠將奈米層片的效能提高超過 10%以上。我們還創建了一種將金屬與 2D 材料結合的新方法，改善了接觸阻力和爲縮小元件尺寸的最小接觸長度。我們的低溫傳輸過程以及原子級薄膜面間和通道材料將爲未來的 2D 電子產品鋪路。我們在 1D 碳奈米管電晶體方面也取得進步，在製作高品質、超薄介電系統方面有突破性進展。
臺積電也發表了先進 3D 整合技術，臺積電解釋，在2020 年，我們將所有 3D 先進封裝平臺整合到 3DFabricTM系統架構之下，以實現更好的效能、功耗、尺寸外觀和功能，達到系統級整合。臺積公司正在擴展整合型扇出（InFO）家族，InFO_B 技術支援更小尺寸外觀的行動應用，並提供客戶彈性進行 DRAM 封裝堆疊。預計於 2021 年下半年完成驗證。臺積公司也將在 2021 年下半年對 2.5 個光罩尺寸的 InFO 進行驗證，以涵蓋更廣泛的佈局規畫和高效能運算要求。我們預計於 2021 年提供 3 個光罩尺寸來強化 CoWoS®（Chip on Wafer onSubstrate），開發更具成本效益的 CoWoS-R 和 CoWoS-L，爲 HPC 應用提供各種小晶片和高頻寬記憶體整合要求。在 3D 晶片堆疊方面，我們的 N7 對 N7 CoW（Chip-on-Wafer）晶片堆疊將在 2021 年年底準備就緒，而 N5 對 N5 CoW 將在 2022 年準備就緒。
至於特殊製程技術，臺積電表示，公司致力爲廣泛的應用提供同級最佳的特殊製程技術，包括 RF/連網、CMOS 影像感測、以及電源管理技術。公司也提供技術的客製化服務，爲客戶創造獨特的差異性，並擁有完善的智慧財產權保護系統。過去 10 年，我們在特殊製程技術方面實現了雙位數的成長，奠基於我們堅定承諾持續投資特殊製程技術的開發。過去兩年，我們爲支援技術和製造能力成長而進行的總投資增加四倍之多。2020 年，我們運用了超過 280 項技術，爲 500 多個客戶生產超過 1 萬 1,000 種產品。支援物聯網和邊緣 AI 的超低功耗技術，我們最新的低功耗技術 N12e 將 VDD 降低到 0.4V，帶來了嶄新和先進的運算智慧，實現了新等級人工智慧應用及極低電壓、低功耗的產品設計。我們也已達到顯著減少漏電，以實現最低待機功耗。相較於 28 奈米模組，N12e 的待機漏電減少 8 倍，保留漏電則減少 5 倍。
▲臺積電解釋，相較於上一代 16 奈米技術，我們新推出的 N6RF 技術效能提高 20%，功耗與面積減少 40%。（圖／臺積電提供）
臺積電也於今年 3 月發佈了 N6RF流程設計套件（PDK），爲 5G 行動網路和 WiFi7 應用提供卓越的 RF 功能和運算效率。臺積電解釋，相較於上一代 16 奈米技術，我們新推出的 N6RF 技術效能提高 20%，功耗與面積減少 40%。N28 技術在毫米波 RF 應用方面也有增強，功耗效率提高 20%。臺積電最先進的非揮發性記憶體技術已進展到 28 奈米，並已通過 Grade-1 驗證，支援汽車應用。Grade-0 代表產品可承受高達攝氏 150 度的溫度，預計於 2021 年第三季通過驗證。我們的 40 奈米和 22 奈米電阻式隨機存取記憶體（RRAM）技術已進入生產，目前22 奈米磁性隨機存取記憶體（22MRAM）已經開始生產。透過運用公司 22 奈米 MRAM 技術，Ambiq 實現了領先業界的 3uA/MHz 低功耗基準以支援微控制器，可用於超低功耗智慧裝置。
臺積電也看到對電源管理技術的需求不斷增加。爲了滿足市場需求，我們升級了電源管理 IC 技術，現在我們也提供多個 12 吋 BCD 解決方案，以滿足先進技術能力，臺積電表示，我們的 N90 BCD＋平臺提供 BCD 技術中最佳的效能，可用於 5V 至 35V 的應用，並將於 2021 年 7 月推出 PDK。
臺積電也表示，過去十年來，我們的 CIS 技術解析度提高了 30 倍，影像畫素尺寸減少了 3 倍。我們也看到顯示器技術對更高解析度和更低功耗有更大需求。AR/VR 等新應用需要利用近眼顯示技術提高解析度。我們開發了矽基微顯示技術以實現這種高解析度，達到超過 2500 PPI 的解析度。
▲臺積電技術論壇，總裁魏哲家發表演說。（圖／臺積電提供）
臺積電表示，目前公司N5、N4 和 N3 的設計生態系統準備就緒，藉由 N5 量產的經驗，我們得以將 N4 晶片尺寸縮小 6%，同時保持與 N5 的相容性。N3 基礎矽智財已準備就緒，可開始設計流程。公司將繼續推進和擴展業界領先的 3DFabric 整合技術，透過完備的 3DIC 設計生態系統，幫助客戶實現系統級整合的真正價值。3DIC 設計流程和電子設計自動化（EDA）工具已就緒可用於 InFo、CowoS® 和TSMC-SoIC™設計，包括用於測試介面、時序分析和熱分析的多晶片設計。我們也正開發 3D 基礎和介面矽智財，以滿足第一波客戶的設計需求。
臺積電也在論壇中談到製造數據，臺積電指出，在2020年，我們的總管理產能已達到超過 1,200 萬 片 12 吋晶圓約當量，公司計劃在未來三年內投資一千億美元，包括今年三百億元的資本支出，以增加產能並支援先進半導體技術的製造及研發。至於新產能提升及新晶圓廠現況，臺積電承諾投資產能，以支援全球客戶的需求。因此迅速提升了 N7、N7+ 和 N6產能， N7 產能相較於三 年前將成長 4 倍。2023 年，我們的 N5 和 N4 產量將比前一年增長 4 倍以上。自 2018 到 2021 年，我們的先進製程技術產能增加了 30% 以上。去年，我們約佔全球 EUV 技術產能的一半，佔全球累計晶圓數量的 65%。我們今年的 EUV 光罩護膜產能將是 2019 年的 20 倍。特殊製程技術製造產能預計較去年同期增長 12%。
臺積電表示，位於臺灣台南廠區的晶圓十八廠，其 N5 製程已於前三期廠房量產，第四期正在施工。生產 N3 的廠房正在準備中，未來的特殊技術製程廠房也正準備中。在新竹廠區，我們計劃提高 3 奈米和 2 奈米的開發和生產效率，晶圓十二廠第八期將於今年完成。我們也計劃建造一座生產 2 奈米制程的新晶圓廠，目前正在進行土地取得程序。先進封裝與測試營運我們正擴大在臺灣竹南的凸塊（bumping）製程、測試和後端 3D 先進封裝服務的產能。該廠區目前正在施工，將於 2022 年下半年開始進行 TSMC-SoIC ™的生產。在過去三年中，CoWoS 的產量成長 25%。
▲臺積電綠色製造。（圖／臺積電提供）
臺積電展現技術力同時，在綠色製造方面也於2020年7月成爲首家加入 RE100 的半導體公司，並承諾到 2050 年，公司所有生產廠房和辦公室將 100%使用再生能源。中期目標是到 2030 年時使用 25%的再生能源。截至 2020 年，臺積公司已購買 1.2 百萬瓩的再生能源，約佔總用電量的 7%。臺積電也表示，於今年開始建造業界首座零廢棄物製造中心，預計 2023 年進行試產，其將採用最先進的回收和純化製程，將廢棄物轉化爲電子級化學品。