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臺(tái)積電周四啟動(dòng)了 2022 年臺(tái)積電技術(shù)研討會(huì)，該公司傳統(tǒng)上會(huì)分享其工藝技術(shù)路線(xiàn)圖以及未來(lái)的擴(kuò)張計(jì)劃。臺(tái)積電今天宣布的關(guān)鍵事項(xiàng)之一是其屬于其N(xiāo)3（3 納米級(jí)）和 N2（2 納米級(jí)）系列的領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在未來(lái)幾年用于制造先進(jìn)的CPU、GPU 和 SoC 。

N3：未來(lái)三年的五個(gè)節(jié)點(diǎn)

隨著制造工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，它們的探路、研究和開(kāi)發(fā)時(shí)間也變得越來(lái)越長(zhǎng)，因此我們不再看到臺(tái)積電和其他代工廠(chǎng)每?jī)赡瓿霈F(xiàn)一個(gè)全新的節(jié)點(diǎn)。在N3 中，臺(tái)積電的新節(jié)點(diǎn)引入節(jié)奏將擴(kuò)大到2.5 年左右，而在N2 中，它將延長(zhǎng)到 3 年左右。 

這意味著臺(tái)積電將需要提供N3 的增強(qiáng)版本，以滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求，這些客戶(hù)仍在尋求每瓦性能的改進(jìn)以及晶體管密度每年左右的提升。臺(tái)積電及其客戶(hù)需要多個(gè)版本的N3 的另一個(gè)原因是，代工廠(chǎng)的N2依賴(lài)于使用納米片實(shí)現(xiàn)的全新柵極環(huán)繞場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (GAA FET)，預(yù)計(jì)這將帶來(lái)更高的成本、新的設(shè)計(jì)方法、新 IP 和許多其他變化。雖然尖端芯片的開(kāi)發(fā)人員將很快轉(zhuǎn)向N2，但臺(tái)積電的許多普通客戶(hù)將在未來(lái)幾年堅(jiān)持使用各種N3 技術(shù)。

這意味著臺(tái)積電將需要提供N3的增強(qiáng)版，以滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求，這些客戶(hù)仍然在尋求每瓦性能的提高以及每一年左右的晶體管密度提升。臺(tái)積電及其客戶(hù)需要多個(gè)版本的N3的另一個(gè)原因是，該代工廠(chǎng)的N2依賴(lài)于使用納米片實(shí)現(xiàn)的全新的全門(mén)控場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAA FET），預(yù)計(jì)這將帶來(lái)更高的成本、新的設(shè)計(jì)方法、新的IP和許多其他變化。雖然前沿芯片的開(kāi)發(fā)者會(huì)迅速跳到N2，但臺(tái)積電的許多普通客戶(hù)將在未來(lái)幾年內(nèi)堅(jiān)持使用各種N3技術(shù)。

在其 2022 年臺(tái)積電技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電談到了將在未來(lái)幾年推出的四種N3 衍生制造工藝（總共五個(gè)3 納米級(jí)節(jié)點(diǎn)）——N3E、N3P、N3S 和 N3X。這些 N3 變體旨在為超高性能應(yīng)用提供改進(jìn)的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強(qiáng)的電壓。所有這些技術(shù)都將支持FinFlex，這是TSMC 的“秘密武器”，極大地增強(qiáng)了他們的設(shè)計(jì)靈活性，并允許芯片設(shè)計(jì)人員精確優(yōu)化性能、功耗和成本。 

*請(qǐng)注意，臺(tái)積電在2020 年左右才開(kāi)始分別發(fā)布針對(duì)模擬、邏輯和 SRAM 的晶體管密度增強(qiáng)。其中一些數(shù)字仍然反映了由 50% 邏輯、30% SRAM 和 20% 模擬組成的“混合”密度。 

N3 和 N3E：HVM 步入正軌

臺(tái)積電的第一個(gè) 3 納米級(jí)節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為 N3，該節(jié)點(diǎn)有望在今年下半年開(kāi)始大批量制造(HVM)。實(shí)際芯片將于2023 年初交付給客戶(hù)。該技術(shù)主要針對(duì)早期采用者，他們可以投資于領(lǐng)先的設(shè)計(jì)，并從性能、功率、面積(PPA) 中受益前沿節(jié)點(diǎn)提供的優(yōu)勢(shì)。但由于它是為特定類(lèi)型的應(yīng)用量身定制的，因此N3 的工藝窗口相對(duì)較窄（產(chǎn)生確定結(jié)果的一系列參數(shù)），就良率而言，它可能并不適合所有應(yīng)用。

這就是 N3E 發(fā)揮作用的時(shí)候。新技術(shù)提高了性能，降低了功耗，增加了工藝窗口，從而提高了產(chǎn)量。但權(quán)衡是該節(jié)點(diǎn)的邏輯密度略有降低。與N5 相比，N3E 將提供 34% 的功耗降低（在相同的速度和復(fù)雜性下）或18% 的性能提升（在相同的功率和復(fù)雜性下），并將邏輯晶體管密度提高1.6 倍。 

值得注意的是，根據(jù)臺(tái)積電的數(shù)據(jù)，N3E將提供比 N4X更高的時(shí)鐘速度 。不過(guò)后者也將支持超高驅(qū)動(dòng)電流和1.2V以上的電壓，在這一點(diǎn)上它將能夠提供無(wú)與倫比的性能，但功耗非常高。 

總的來(lái)說(shuō)，N3E 看起來(lái)是比 N3 更通用的節(jié)點(diǎn)，這就是為什么臺(tái)積電在這一點(diǎn)上擁有更多的“3nm流片”而不是它在類(lèi)似開(kāi)發(fā)階段的 5nm 級(jí)節(jié)點(diǎn)也就不足為奇了.

使用 N3E 的芯片風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將在未來(lái)幾周（即2022 年第二季度或第三季度）開(kāi)始，HVM將在 2023 年中期開(kāi)始（同樣，臺(tái)積電沒(méi)有透露我們是在談?wù)摰诙径冗€是第三季度）。因此，預(yù)計(jì)商業(yè)N3E 芯片將在2023 年底或2024 年初上市。

N3P、N3S 和 N3X：性能、密度、電壓

N3 的改進(jìn)并不止于N3E。臺(tái)積電將在 2024 年左右的某個(gè)時(shí)間推出 N3P，這是其制造工藝的性能增強(qiáng)版本，以及N3S，該節(jié)點(diǎn)的密度增強(qiáng)版本。不幸的是，臺(tái)積電目前沒(méi)有透露這些變體將提供哪些改進(jìn)到基線(xiàn) N3。事實(shí)上，在2022 年技術(shù)研討會(huì)上，臺(tái)積電甚至沒(méi)有在其路線(xiàn)圖中展示N3S，只是在談話(huà)中被Kevin Zhang 提到。考慮到這一切，嘗試猜測(cè)N3S的特性確實(shí)不是一件好事。

最后，對(duì)于那些無(wú)論功耗和成本都需要超高性能的客戶(hù)，臺(tái)積電將提供N3X，它本質(zhì)上是N4X的意識(shí)形態(tài)接班人。同樣，臺(tái)積電沒(méi)有透露有關(guān)該節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息，只是表示它將支持高驅(qū)動(dòng)電流和電壓。我們可能會(huì)推測(cè)N4X 可以使用背面供電，但由于我們談?wù)摰氖腔贔inFET 的節(jié)點(diǎn)，而臺(tái)積電只會(huì)在基于納米片的N2 中實(shí)現(xiàn)背面供電軌，我們不確定情況是否如此。盡管如此，在電壓增加和性能增強(qiáng)方面，臺(tái)積電可能有許多優(yōu)勢(shì)。

FinFlex：N3 的秘訣

說(shuō)到增強(qiáng)功能，我們絕對(duì)應(yīng)該提到臺(tái)積電N3 的秘訣：FinFlex 技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)inFlex 允許芯片設(shè)計(jì)人員精確地定制他們的構(gòu)建模塊，以實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

當(dāng)使用基于 FinFET 的節(jié)點(diǎn)時(shí)，芯片設(shè)計(jì)人員可以在使用不同標(biāo)準(zhǔn)單元的不同庫(kù)之間進(jìn)行選擇。標(biāo)準(zhǔn)單元是執(zhí)行布爾邏輯或存儲(chǔ)功能的最基本的構(gòu)建塊，由一組晶體管和互連組成。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，可以使用不同配置的標(biāo)準(zhǔn)單元執(zhí)行相同的功能（具有相同的結(jié)果）。但從可制造性和操作的角度來(lái)看，不同的標(biāo)準(zhǔn)單元配置具有不同的性能、功耗和面積。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員需要以性能為代價(jià)最小化芯片尺寸并節(jié)省功耗時(shí)，他們會(huì)使用小型標(biāo)準(zhǔn)單元。但是，當(dāng)他們需要在芯片尺寸和更高功率的權(quán)衡下最大限度地提高性能時(shí)，他們會(huì)使用大型標(biāo)準(zhǔn)單元。

目前，在SoC設(shè)計(jì)中，芯片設(shè)計(jì)者必須堅(jiān)持使用一種庫(kù)/標(biāo)準(zhǔn)單元，要么用于整個(gè)芯片，要么用于整個(gè)塊。例如，CPU內(nèi)核可以使用3-2鰭塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，以使其運(yùn)行速度更快，或者使用2-1鰭標(biāo)準(zhǔn)單元來(lái)減少其功耗和占用空間。這是一個(gè)公平的權(quán)衡，但它不是所有情況下的理想選擇，特別是當(dāng)我們?cè)谡務(wù)?納米級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其使用成本將比現(xiàn)有技術(shù)更高。

對(duì)于 N3，臺(tái)積電的 FinFlex 技術(shù)將允許芯片設(shè)計(jì)人員在一個(gè)模塊內(nèi)混合和匹配不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)單元，以精確定制性能、功耗和面積。對(duì)于像CPU 內(nèi)核這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這樣的優(yōu)化提供了很多提高內(nèi)核性能的機(jī)會(huì)，同時(shí)仍然優(yōu)化了裸片尺寸。因此，我們渴望看到SoC 設(shè)計(jì)人員將如何在即將到來(lái)的N3 時(shí)代利用 FinFlex。

FinFlex并不是節(jié)點(diǎn)特殊化(性能、密度、電壓)的替代品，因?yàn)樵趩我还に嚰夹g(shù)中，工藝技術(shù)比庫(kù)或晶體管結(jié)構(gòu)有更大的差異，但FinFlex看起來(lái)是臺(tái)積電N3節(jié)點(diǎn)優(yōu)化性能、功耗和成本的好方法。最終，這項(xiàng)技術(shù)將使基于FinFET的節(jié)點(diǎn)的靈活性更接近于基于納米片/GAAFET的節(jié)點(diǎn)，后者將提供可調(diào)節(jié)的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。

總結(jié)

與臺(tái)積電的 N7 和 N5 一樣，N3 也將成為另一個(gè)持久節(jié)點(diǎn)系列。尤其是隨著臺(tái)積電在2nm 階段轉(zhuǎn)向基于納米片的GAAFET，3nm系列將成為該公司“經(jīng)典”前沿 FinFET 節(jié)點(diǎn)的最后一個(gè)系列，許多客戶(hù)將堅(jiān)持使用幾年（或者更多）。反過(guò)來(lái)，這也是臺(tái)積電為不同應(yīng)用準(zhǔn)備多個(gè)版本的N3 以及 FinFlex 技術(shù)的原因，以便為芯片設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)提供一些額外的靈活性。

首批 N3 芯片將在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)投入生產(chǎn)，并于2023 年初上市。同時(shí)，臺(tái)積電在2025 年推出N2 工藝技術(shù)后，仍將繼續(xù)使用其N(xiāo)3 節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)半導(dǎo)體。