臺積電一口氣準備了五種3納米工藝：第一種即將量產！
2022-06-23 12:42:06 EETOP鏈接：https://www.anandtech.com/show/17452/tsmc-readies-five-3nm-process-technologies-with-finflex
臺積電周四啟動了 2022 年臺積電技術研討會，該公司傳統上會分享其工藝技術路線圖以及未來的擴張計劃。臺積電今天宣布的關鍵事項之一是其屬于其N3（3 納米級）和 N2（2 納米級）系列的領先節點，這些節點將在未來幾年用于制造先進的CPU、GPU 和 SoC 。
隨著制造工藝變得越來越復雜，它們的探路、研究和開發時間也變得越來越長，因此我們不再看到臺積電和其他代工廠每兩年出現一個全新的節點。在N3 中，臺積電的新節點引入節奏將擴大到2.5 年左右，而在N2 中，它將延長到 3 年左右。
這意味著臺積電將需要提供N3 的增強版本，以滿足其客戶的需求，這些客戶仍在尋求每瓦性能的改進以及晶體管密度每年左右的提升。臺積電及其客戶需要多個版本的N3 的另一個原因是，代工廠的N2依賴于使用納米片實現的全新柵極環繞場效應晶體管 (GAA FET)，預計這將帶來更高的成本、新的設計方法、新 IP 和許多其他變化。雖然尖端芯片的開發人員將很快轉向N2，但臺積電的許多普通客戶將在未來幾年堅持使用各種N3 技術。
這意味著臺積電將需要提供N3的增強版，以滿足其客戶的需求，這些客戶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。臺積電及其客戶需要多個版本的N3的另一個原因是，該代工廠的N2依賴于使用納米片實現的全新的全門控場效應晶體管（GAA FET），預計這將帶來更高的成本、新的設計方法、新的IP和許多其他變化。雖然前沿芯片的開發者會迅速跳到N2，但臺積電的許多普通客戶將在未來幾年內堅持使用各種N3技術。
在其 2022 年臺積電技術研討會上，臺積電談到了將在未來幾年推出的四種N3 衍生制造工藝（總共五個3 納米級節點）——N3E、N3P、N3S 和 N3X。這些 N3 變體旨在為超高性能應用提供改進的工藝窗口、更高的性能、增加的晶體管密度和增強的電壓。所有這些技術都將支持FinFlex，這是TSMC 的“秘密武器”，極大地增強了他們的設計靈活性，并允許芯片設計人員精確優化性能、功耗和成本。
*請注意，臺積電在2020 年左右才開始分別發布針對模擬、邏輯和 SRAM 的晶體管密度增強。其中一些數字仍然反映了由 50% 邏輯、30% SRAM 和 20% 模擬組成的“混合”密度。
臺積電的第一個 3 納米級節點稱為 N3，該節點有望在今年下半年開始大批量制造(HVM)。實際芯片將于2023 年初交付給客戶。該技術主要針對早期采用者，他們可以投資于領先的設計，并從性能、功率、面積(PPA) 中受益前沿節點提供的優勢。但由于它是為特定類型的應用量身定制的，因此N3 的工藝窗口相對較窄（產生確定結果的一系列參數），就良率而言，它可能并不適合所有應用。
這就是 N3E 發揮作用的時候。新技術提高了性能，降低了功耗，增加了工藝窗口，從而提高了產量。但權衡是該節點的邏輯密度略有降低。與N5 相比，N3E 將提供 34% 的功耗降低（在相同的速度和復雜性下）或18% 的性能提升（在相同的功率和復雜性下），并將邏輯晶體管密度提高1.6 倍。
值得注意的是，根據臺積電的數據，N3E將提供比 N4X更高的時鐘速度 。不過后者也將支持超高驅動電流和1.2V以上的電壓，在這一點上它將能夠提供無與倫比的性能，但功耗非常高。
總的來說，N3E 看起來是比 N3 更通用的節點，這就是為什么臺積電在這一點上擁有更多的“3nm流片”而不是它在類似開發階段的 5nm 級節點也就不足為奇了.
使用 N3E 的芯片風險生產將在未來幾周（即2022 年第二季度或第三季度）開始，HVM將在 2023 年中期開始（同樣，臺積電沒有透露我們是在談論第二季度還是第三季度）。因此，預計商業N3E 芯片將在2023 年底或2024 年初上市。
N3 的改進并不止于N3E。臺積電將在 2024 年左右的某個時間推出 N3P，這是其制造工藝的性能增強版本，以及N3S，該節點的密度增強版本。不幸的是，臺積電目前沒有透露這些變體將提供哪些改進到基線 N3。事實上，在2022 年技術研討會上，臺積電甚至沒有在其路線圖中展示N3S，只是在談話中被Kevin Zhang 提到。考慮到這一切，嘗試猜測N3S的特性確實不是一件好事。
最后，對于那些無論功耗和成本都需要超高性能的客戶，臺積電將提供N3X，它本質上是N4X的意識形態接班人。同樣，臺積電沒有透露有關該節點的詳細信息，只是表示它將支持高驅動電流和電壓。我們可能會推測N4X 可以使用背面供電，但由于我們談論的是基于FinFET 的節點，而臺積電只會在基于納米片的N2 中實現背面供電軌，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方面，臺積電可能有許多優勢。
說到增強功能，我們絕對應該提到臺積電N3 的秘訣：FinFlex 技術。簡而言之，FinFlex 允許芯片設計人員精確地定制他們的構建模塊，以實現更高的性能、更高的密度和更低的功耗。
當使用基于 FinFET 的節點時，芯片設計人員可以在使用不同標準單元的不同庫之間進行選擇。標準單元是執行布爾邏輯或存儲功能的最基本的構建塊，由一組晶體管和互連組成。從數學的角度來看，可以使用不同配置的標準單元執行相同的功能（具有相同的結果）。但從可制造性和操作的角度來看，不同的標準單元配置具有不同的性能、功耗和面積。當開發人員需要以性能為代價最小化芯片尺寸并節省功耗時，他們會使用小型標準單元。但是，當他們需要在芯片尺寸和更高功率的權衡下最大限度地提高性能時，他們會使用大型標準單元。
目前，在SoC設計中，芯片設計者必須堅持使用一種庫/標準單元，要么用于整個芯片，要么用于整個塊。例如，CPU內核可以使用3-2鰭塊來實現，以使其運行速度更快，或者使用2-1鰭標準單元來減少其功耗和占用空間。這是一個公平的權衡，但它不是所有情況下的理想選擇，特別是當我們在談論3納米級節點時，其使用成本將比現有技術更高。
對于 N3，臺積電的 FinFlex 技術將允許芯片設計人員在一個模塊內混合和匹配不同類型的標準單元，以精確定制性能、功耗和面積。對于像CPU 內核這樣的復雜結構，這樣的優化提供了很多提高內核性能的機會，同時仍然優化了裸片尺寸。因此，我們渴望看到SoC 設計人員將如何在即將到來的N3 時代利用 FinFlex。
FinFlex并不是節點特殊化(性能、密度、電壓)的替代品，因為在單一工藝技術中，工藝技術比庫或晶體管結構有更大的差異，但FinFlex看起來是臺積電N3節點優化性能、功耗和成本的好方法。最終，這項技術將使基于FinFET的節點的靈活性更接近于基于納米片/GAAFET的節點，后者將提供可調節的通道寬度，以獲得更高的性能或降低功耗。
與臺積電的 N7 和 N5 一樣，N3 也將成為另一個持久節點系列。尤其是隨著臺積電在2nm 階段轉向基于納米片的GAAFET，3nm系列將成為該公司“經典”前沿 FinFET 節點的最后一個系列，許多客戶將堅持使用幾年（或者更多）。反過來，這也是臺積電為不同應用準備多個版本的N3 以及 FinFlex 技術的原因，以便為芯片設計人員的設計提供一些額外的靈活性。
首批 N3 芯片將在未來幾個月內投入生產，并于2023 年初上市。同時，臺積電在2025 年推出N2 工藝技術后，仍將繼續使用其N3 節點生產半導體。
