上個(gè)月在日本召開(kāi)的VLSI 2019峰會(huì)上，臺(tái)積電（下稱(chēng)TSMC）舉辦了一次小型的媒體會(huì)，會(huì)上他們公開(kāi)了目前他們?cè)谙冗M(jìn)制程工藝方面的進(jìn)度。這篇文章就帶大家來(lái)梳理一下目前TSMC的先進(jìn)工藝進(jìn)度，對(duì)于未來(lái)兩到三年半導(dǎo)體代工業(yè)界的發(fā)展有個(gè)前瞻。

圖片來(lái)自于WikiChip，下同

注：這篇文章大部分內(nèi)容翻譯自WikiChip對(duì)上述兩次會(huì)議中臺(tái)積電披露內(nèi)容的一篇匯總文。由于小編不是學(xué)電路或者說(shuō)電子科班出身，所以文中在電路知識(shí)相關(guān)內(nèi)容的翻譯上可能有問(wèn)題，請(qǐng)各位讀者見(jiàn)諒，如有問(wèn)題敬請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論指出。

原版7nm工藝（N7）

TSMC認(rèn)為他們的7nm工藝（N7）是目前可用的半導(dǎo)體工藝中最為先進(jìn)的。在VSLI峰會(huì)上面，TSMC披露了7nm工藝的一些技術(shù)細(xì)節(jié)。目前除了少部分主要客戶(hù)（小編：某VIDIA），大多數(shù)TSMC的客戶(hù)都表示將直接從TSMC 16nm節(jié)點(diǎn)工藝直接轉(zhuǎn)到7nm節(jié)點(diǎn)工藝。

TSMC各節(jié)點(diǎn)工藝關(guān)鍵特征對(duì)比表

TSMC的10nm節(jié)點(diǎn)將是一代短命的工藝，看起來(lái)更像是一代用于過(guò)渡的工藝。相比起16nm節(jié)點(diǎn)工藝，7nm可以提供3.3倍的門(mén)電路密度，在同等功耗上提供35~40%的速度提升或者可以降低65%的功耗。

不過(guò)7nm技術(shù)的亮點(diǎn)更加在于TSMC對(duì)于良率的控制，根據(jù)TSMC給出的信息，得益于在10nm工藝上面的經(jīng)驗(yàn)，7nm工藝的成熟速度是有史以來(lái)最快的。隨著7nm工藝紛紛被高性能計(jì)算領(lǐng)域所使用，TSMC開(kāi)始分別向移動(dòng)端客戶(hù)和生產(chǎn)250mm^2^以上Die大小的HPC客戶(hù)報(bào)告不同的缺陷密度。

有趣的是，TSMC發(fā)現(xiàn)他們7nm節(jié)點(diǎn)工藝的需求在每季度以1%的速度下降著，同時(shí)他們利潤(rùn)的主要來(lái)源還是成熟的16nm節(jié)點(diǎn)工藝，不過(guò)他們認(rèn)為，7nm工藝將提供整個(gè)年度25%的利潤(rùn)。

第二代7nm工藝（N7P）

TSMC已經(jīng)開(kāi)始提供優(yōu)化版的7nm制程了，他們把這種工藝命名為"N7 Performance-enhanced version"，簡(jiǎn)寫(xiě)為N7P，翻譯過(guò)來(lái)就是7nm性能增強(qiáng)版，一般稱(chēng)之為“第二代7nm工藝”或者“7nm year 2”。

N7P是在原版基礎(chǔ)上對(duì)某些生產(chǎn)步驟（例如FEOL和MOL）進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到了約7%的性能提升，或者10%的省電效果。

7nm EUV（N7+）

TSMC內(nèi)部將首次引入EUV（極紫外線(xiàn)光刻）技術(shù)的7nm工藝稱(chēng)之為"N7+"，不要把它和上面的“第二代7nm工藝”給搞混了，那種仍然是采用目前常用的DUV（深紫外線(xiàn)光刻）。N7+已經(jīng)在上個(gè)季度進(jìn)入了量產(chǎn)環(huán)節(jié)，TSMC表明這種新工藝的產(chǎn)量已經(jīng)可以達(dá)到原來(lái)7nm工藝的水平了。

相較于初代7nm工藝，N7+可以提供1.2倍的密度提升，同等功耗水平下提供10%的性能增幅，或者同性能節(jié)省15%的功耗。紙面數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)當(dāng)然是比上面的N7P還要強(qiáng)一些。當(dāng)然，使用新的EUV技術(shù)也意味著需要在物理上重新實(shí)現(xiàn)一遍芯片，并且使用新的EUV掩膜。

6nm節(jié)點(diǎn)（N6）

6nm節(jié)點(diǎn)是N7（初代7nm工藝）的EUV等效工藝，計(jì)劃使用比N7+更多的EUV層，它兼容于N7工藝，目的是為大部分客戶(hù)提供制程的升級(jí)。在N6工藝上，有些N7節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)將會(huì)采用新的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終將提供約18%的密度提升。

比較特別的是，N6工藝進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)間將會(huì)比N5還要晚，風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將會(huì)在明年早些時(shí)候開(kāi)始，在2020末開(kāi)始工藝爬坡。正因如此，TSMC稱(chēng)他們將會(huì)把在N7+和N5這兩種工藝上學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用于N6上面。

5nm節(jié)點(diǎn)（N5）

TSMC 5nm工藝節(jié)點(diǎn)（N5）將會(huì)是7nm之后的下一個(gè)“完全節(jié)點(diǎn)（小編注：比如Intel的22nm到14nm為一個(gè)完全節(jié)點(diǎn)）”，在今年第一季度，它已經(jīng)進(jìn)入了風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將于明年上半年開(kāi)始工藝爬坡。N5會(huì)廣泛地使用EUV技術(shù)，TSMC表示N5節(jié)點(diǎn)工藝的發(fā)展工藝與N7相似，并且目前已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常高水平的產(chǎn)量。

相較于N7節(jié)點(diǎn)，TSMC宣稱(chēng)N5將提供1.8倍的密度，同功耗15%的性能提升或者同性能30%的節(jié)能。同樣地，N5也會(huì)像N7那樣為移動(dòng)端和HPC用途提供兩種額外選項(xiàng)。相比起N7工藝，N5的HPC選項(xiàng)將提供最高達(dá)25%的性能提升。

TSMC 5nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)特征預(yù)測(cè)

在WikiChip的預(yù)計(jì)中，TSMC 5nm將比Intel和三星的下一個(gè)完全節(jié)點(diǎn)工藝成熟時(shí)間更早。

第二代5nm工藝（N5P）

如同7nm節(jié)點(diǎn)時(shí)候的情況，TSMC計(jì)劃將提供一種5nm工藝的優(yōu)化版，名稱(chēng)也類(lèi)似：N5 Performance-enhanced version，代號(hào)N5P。與N7P類(lèi)似，N5P也在某些生產(chǎn)步驟（例如FEOL和MOL）進(jìn)行了優(yōu)化，相比起N5工藝，N5P可以提供同功耗下7%的性能提升或是同性能下15%的省電。

不過(guò)目前N5P的具體時(shí)間線(xiàn)仍然是未知的，但有跡象表明TSMC會(huì)在2020年末或2021年初將其推出。

3nm節(jié)點(diǎn)（N3）

TSMC表示他們的3納米工藝進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)將于2022年左右正式引入。就像我們之前知道的那樣，目前的FinFET已經(jīng)不能滿(mǎn)足于3nm節(jié)點(diǎn)時(shí)代的生產(chǎn)了，業(yè)界目前計(jì)劃引入新的GAA（閘極全環(huán) Gate-all-around）技術(shù)。但不能排除TSMC和Intel會(huì)繼續(xù)使用生產(chǎn)更容易、成本更加低的FinFET，因?yàn)樗杏袧摿梢员煌诰颍且呀?jīng)計(jì)劃在3nm上面引入GAA技術(shù)了。WikiChip更加傾向于TSMC會(huì)繼續(xù)在3nm節(jié)點(diǎn)上面使用FinFET，而會(huì)在隨后的工藝節(jié)點(diǎn)中引入GAA技術(shù)。目前還沒(méi)有更多關(guān)于TSMC 3nm工藝的信息。

總結(jié)

在成為世界上最大的半導(dǎo)體代工廠(chǎng)之后，TSMC并沒(méi)有停止他們的腳步，相反，他們保持著新工藝的研發(fā)速度，從目前披露出來(lái)的進(jìn)度來(lái)看，他們已經(jīng)領(lǐng)先于Intel和其他半導(dǎo)體生產(chǎn)商了。先不論這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)命名中有多少水分，但就目前7nm工藝的表現(xiàn)來(lái)看，TSMC確實(shí)是對(duì)得起“最先進(jìn)”之名的。

所謂有競(jìng)爭(zhēng)才有發(fā)展，在之前的時(shí)代中，TSMC、三星和GF都沒(méi)有對(duì)Intel構(gòu)成過(guò)像樣的威脅，所以Intel才會(huì)在10nm工藝上制定如此激進(jìn)的目標(biāo)，導(dǎo)致其難產(chǎn)至今。不過(guò)10nm工藝的芯片已經(jīng)開(kāi)始出貨了，當(dāng)然早期10nm的表現(xiàn)肯定是不如現(xiàn)在14nm++的。如果按照Intel以前的做法，他們肯定是會(huì)去吃透10nm再轉(zhuǎn)進(jìn)下一代7nm節(jié)點(diǎn)工藝的，但是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的速度已經(jīng)容不得他們慢慢吃透工藝了。前不久Intel的CEO在一場(chǎng)峰會(huì)中宣稱(chēng)將于兩年內(nèi)提供7nm工藝，那么他們究竟能不能做到呢？讓我們拭目以待。