TSMC的下一步 7nm EUV、5nm以及3nm

上個月在日本召開的VLSI 2019峰會上，台積電（下稱TSMC）舉辦了一次小型的媒體會，會上他們公開了目前他們在先進製程工藝方面的進度。這篇文章就帶大家來梳理一下目前TSMC的先進工藝進度，對於未來兩到三年半導體代工業界的發展有個前瞻。

圖片來自於WikiChip，下同

注：這篇文章大部分內容翻譯自WikiChip對上述兩次會議中台積電披露內容的一篇匯總文。由於小編不是學電路或者說電子科班出身，所以文中在電路知識相關內容的翻譯上可能有問題，請各位讀者見諒，如有問題敬請在評論指出。

原版7nm工藝（N7）TSMC認為他們的7nm工藝（N7）是目前可用的半導體工藝中最為先進的。在VSLI峰會上面，TSMC披露了7nm工藝的一些技術細節。目前除了少部分主要客戶（小編：某VIDIA），大多數TSMC的客戶都表示將直接從TSMC 16nm節點工藝直接轉到7nm節點工藝。

TSMC各節點工藝關鍵特徵對比表

TSMC的10nm節點將是一代短命的工藝，看起來更像是一代用於過渡的工藝。相比起16nm節點工藝，7nm可以提供3.3倍的門電路密度，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7nm技術的亮點更加在於TSMC對於良率的控制，根據TSMC給出的信息，得益於在10nm工藝上面的經驗，7nm工藝的成熟速度是有史以來最快的。隨著7nm工藝紛紛被高性能計算領域所使用，TSMC開始分別向移動端客戶和生產250mm^2^以上Die大小的HPC客戶報告不同的缺陷密度。
有趣的是，TSMC發現他們7nm節點工藝的需求在每季度以1%的速度下降著，同時他們利潤的主要來源還是成熟的16nm節點工藝，不過他們認為，7nm工藝將提供整個年度25%的利潤。


第二代7nm工藝（N7P）
TSMC已經開始提供優化版的7nm製程了，他們把這種工藝命名為"N7 Performance-enhanced version"，簡寫為N7P，翻譯過來就是7nm性能增強版，一般稱之為“第二代7nm工藝”或者“7nm year 2”。

N7P是在原版基礎上對某些生產步驟（例如FEOL和MOL）進行了優化，從而得到了約7%的性能提升，或者10%的省電效果。


7nm EUV（N7+）
TSMC內部將首次引入EUV（極紫外線光刻）技術的7nm工藝稱之為"N7+"，不要把它和上面的“第二代7nm工藝”給搞混了，那種仍然是採用目前常用的DUV （深紫外線光刻）。 N7+已經在上個季度進入了量產環節，TSMC表明這種新工藝的產量已經可以達到原來7nm工藝的水平了。
相較於初代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，或者同性能節省15%的功耗。紙面數據上的表現當然是比上面的N7P還要強一些。當然，使用新的EUV技術也意味著需要在物理上重新實現一遍芯片，並且使用新的EUV掩膜。


6nm節點（N6）
6nm節點是N7（初代7nm工藝）的EUV等效工藝，計劃使用比N7+更多的EUV層，它兼容於N7工藝，目的是為大部分客戶提供製程的升級。在N6工藝上，有些N7節點的設計將會採用新的方式來實現，最終將提供約18%的密度提升。
比較特別的是，N6工藝進入實際生產的時間將會比N5還要晚，風險生產將會在明年早些時候開始，在2020末開始工藝爬坡。正因如此，TSMC稱他們將會把在N7+和N5這兩種工藝上學習到的經驗運用於N6上面。


5nm節點（N5）
TSMC 5nm工藝節點（N5）將會是7nm之後的下一個“完全節點（小編註：比如Intel的22nm到14nm為一個完全節點）”，在今年第一季度，它已經進入了風險生產，預計將於明年上半年開始工藝爬坡。 N5會廣泛地使用EUV技術，TSMC表示N5節點工藝的發展工藝與N7相似，並且目前已經達到了一個非常高水平的產量。
相較於N7節點，TSMC宣稱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%的節能。同樣地，N5也會像N7那樣為移動端和HPC用途提供兩種額外選項。相比起N7工藝，N5的HPC選項將提供最高達25%的性能提升。

TSMC 5nm節點技術特徵預測

在WikiChip的預計中，TSMC 5nm將比Intel和三星的下一個完全節點工藝成熟時間更早。

第二代5nm工藝（N5P）
如同7nm節點時候的情況，TSMC計劃將提供一種5nm工藝的優化版，名稱也類似：N5 Performance-enhanced version，代號N5P。與N7P類似，N5P也在某些生產步驟（例如FEOL和MOL）進行了優化，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。
不過目前N5P的具體時間線仍然是未知的，但有跡象表明TSMC會在2020年末或2021年初將其推出。


3nm節點（N3）
TSMC表示他們的3納米工藝進展順利，預計將於2022年左右正式引入。就像我們之前知道的那樣，目前的FinFET已經不能滿足於3nm節點時代的生產了，業界目前計劃引入新的GAA（閘極全環 Gate-all-around）技術。但不能排除TSMC和Intel會繼續使用生產更容易、成本更加低的FinFET，因為它尚有潛力可以被挖掘，而三星已經計劃在3nm上面引入GAA技術了。 WikiChip更加傾向於TSMC會繼續在3nm節點上面使用FinFET，而會在隨後的工藝節點中引入GAA技術。目前還沒有更多關於TSMC 3nm工藝的信息。


總結
在成為世界上最大的半導體代工廠之後，TSMC並沒有停止他們的腳步，相反，他們保持著新工藝的研發速度，從目前披露出來的進度來看，他們已經領先於Intel和其他半導體生產商了。先不論這個工藝節點命名中有多少水分，但就目前7nm工藝的表現來看，TSMC確實是對得起“最先進”之名的。
所謂有競爭才有發展，在之前的時代中，TSMC、三星和GF都沒有對Intel構成過像樣的威脅，所以Intel才會在10nm工藝上製定如此激進的目標，導致其難產至今。不過10nm工藝的芯片已經開始出貨了，當然早期10nm的表現肯定是不如現在14nm++的。如果按照Intel以前的做法，他們肯定是會去吃透10nm再轉進下一代7nm節點工藝的，但是競爭對手的速度已經容不得他們慢慢吃透工藝了。前不久Intel的CEO在一場峰會中宣稱將於兩年內提供7nm工藝，那麼他們究竟能不能做到呢？讓我們拭目以待。


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