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3nm量產再延期,技術路線是否太激進?

發布人:傳感器技術 時間:2022-10-26 來源:工程師 發布文章
作者:張河勛

電子工程專輯原創


針對“臺積電再度將 3 納米芯片量產延期三個月”的消息,臺積電近日回應稱,3 納米制程的發展符合預期,良率高,將在第四季度晚些時候量產。


同時,臺積電總裁魏哲家也在近日法說會上提到,3 納米進度符合預期,具備良好良率并將在第四季度量產,在高速運算和智能手機應用驅動下,客戶對3納米需求超過產能。


盡管臺積電對3納米芯片量產持樂觀態度,但其在3納米芯片仍然堅持FinFet工藝,是否就是其被傳延期的根本原因呢?其工藝路線是否太激進?



第四季度量產“初代版本”3納米芯片?


據《日經亞洲》報道,蘋果將在2023年成為第一家使用臺積電最新3nm制程工藝的公司,即N3E(3nm Enhanced)制程工藝。據悉,N3E工藝芯片將用在蘋果2023年的新款iPhone和Mac電腦上。


知情人士透露,蘋果目前研發的A17處理器將使用臺積電的N3E(3nm Enhanced)制程工藝進行大規模生產,預計2023下半年上市。知情人士還稱,A17處理器將用在2023年發布的iPhone 15 Pro系列上,而基本款的iPhone 15將仍然采用A16處理器。此外,用于新款Mac電腦的M3處理器也將采用N3E制程工藝。


據悉,臺積電員工在臺灣新竹市的技術研討會上透露,N3E工藝將比N3工藝提供更好的性能和能源效率。另外也有消息透露,與5nm工藝(N5)相比,在同等性能和密度的條件下,N3E的功耗降低34%、性能提升18%,晶體管密度提升60%。


此前,有消息人士透露,臺積電內部決定放棄N3工藝,轉攻2023下半年量產成本更優的N3E工藝。業內人士推測,導致該結果的主要原因是蘋果對臺積電第一代3nm芯片的效果不滿意。由于采用第一代3nm工藝的客戶較少,蘋果又是臺積電的主要大客戶,所以臺積電或將放棄3nm工藝,轉而投入表現更好的N3E工藝。


綜合以上信息,臺積電今年第四季度量產的3納米芯片是否會是“初代版本”呢? 而初代版本的3納米工藝很可能因為不成熟,其良品率難以達到客戶預期。



技術工藝路線太激進?


今年上半年,三星采用GAA工藝率先量產3納米芯片,但很多性能指標上遠不及臺積電的N3工藝,比如晶體管密度。相對而言,臺積電N3工藝路線是非?!氨J亍钡?,仍然采用FinFet工藝,這是否就是其3納米芯片延期,甚至落后三星的根本原因呢?


實際上,在工藝路線選擇上,臺積電N3工藝跟英特爾10nm芯片工藝選擇有些類似。Intel一直在10nm之前的工藝節點上“一騎絕塵”,但在10nm芯片上則直接翻車。有人總結其根本原因在于:Intel的10nm工藝芯是在“刀尖跳舞”,自信變成了自負。


當時,英特爾規劃10nm工藝芯片時,由于EUV還無法商用化,就必須在不依賴EUV的情況下去生產10nm芯片。而英特爾可選的路子就只有兩條:一是把10nm的技術規格控制在當時DUV光刻可接受的程度;二是在多重曝光技術SAQP上下****注,若成功順帶解決7nm工藝芯片的問題。


后來,Intel選了后面這條路線,把線寬拖到必須采用SAQP才能解決的寬度(目前DUV密度最高的工藝)。果不其然,Intel在10nm工藝芯片上遭遇失敗。因此,Intel的10nm工藝芯片是不太符合當時的技術背景,規格高于技術棧的能力。


那么,臺積電的3nm芯片選擇FinFet工藝是否也有共同之處?根據目前的資料,臺積電N3的預計密度是300,并且依舊是FinFet工藝。


相對而言,GAA肯定比FinFet更難造,但隨著晶體管尺度向5nm甚至3nm邁進,FinFET本身的尺寸已經縮小至極限后,無論是鰭片距離、短溝道效應、還是漏電和材料極限也使得晶體管制造變得岌岌可危,甚至物理結構都無法完成。因此,很多資深專業人士都認為,當工藝節點進階到3nm時,FinFET已不可行,將轉向GAA。


然而,臺積電3納米芯片仍然選擇FinFET,是不是跟英特爾當年10納米芯片一樣,在技術極限挑戰。那么,臺積電3納米芯片延期也在情理之中。



3納米訂單數量不如預期


盡管3納米技術是業界非常期待的技術,但由于其應用成本過高,且在絕大多數應用場景下都屬性能過剩,導致其必然成為小眾的芯片工藝技術。不過,正如上文所述,預計N3工藝不會被采用,畢竟初代版本技術成本太高、良率太低,而N3E工藝作為增強版將進一步提升性能、降低功耗、擴大應用范圍,成為蘋果的首選技術工藝。


在第三季度財報會議上,臺積電透露了3nm工藝的最新進展,由于訂單數量不如預期,項目的實際落地時間或將推遲至今年底。據悉,英特爾、AMD和英偉達都不再支持臺積電首批3nm工藝,而蘋果則按原計劃生產A17仿生芯片與M3芯片。


毫無疑問,在芯片技術選擇上,蘋果才有財力和意愿支持臺積電N3E工藝,進而保證其產品陣營的領先性。然而,英特爾、AMD和英偉達暫時不選擇N3E工藝更多的是考量PC市場需求不旺,沒有必要冒著良率不足的風險搶奪首批3nm工藝。


不過,毫無疑問,臺積電3納米工藝仍然是受歡迎的。據悉,臺積電N3E工藝中256Mb SRAM的平均良率將達到80%,移動設備以及HPC芯片良率也為80%左右。受限于市場因素,英特爾、AMD和英偉達才擱置采用臺積電N3E工藝芯片的計劃。


為iPhone制造零部件的公司Murata Manufacturing(村田制作所)認為,智能手機銷量的下降將持續到2023年。該公司估計,2021年,全球智能手機市場出貨量為13.6億部,而2022年的總銷量可能低于12億部,這主要由中國市場的需求下降導致。


Canalys預計,2022年第三季度,全球個人電腦市場面臨需求大幅下降的趨勢。臺式電腦和筆記本電腦總發貨量下降18%,至6,940萬臺。不利的宏觀經濟和行業因素削弱了個人電腦市場的勢頭,包括高通脹、利率上升和庫存膨脹,這一趨勢可能持續到2023年。


由此可見,臺積電要指望N3E工藝贏得更多訂單,可能需要再等一年,而N3E工藝對其經營業績能帶來多大助力還有待觀察。


來源:電子工程專輯


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