台積電羅鎮球：2022年量產3nm，汽車芯片工藝平台N5A明年Q3推出

2022年07月04日23:13:31 熱門 1020

12月22日，中國集成電路設計業2021年會暨無錫集成電路產業創新發展高峰論壇（ICCAD 2021）舉行。在當天上午的主題演講環節，台積電（南京）有限公司總經理羅鎮球做了主題為《半導體產業的新時代》的主題演講。

在演講當中，羅鎮球介紹了台積電目前在先進制程、先進封裝方面的布局，並宣布台積電將於明年三季度推出全新的針對汽車電子的N5A工藝平台，該平台將完全符合車規級標準。

摩爾定律繼續有效，台積電2023年量產3nm

近年來，隨着晶體管微縮變得越來越困難，聯電、格芯相繼放棄10nm以下的先進制程的研發，摩爾定律的頭號踐行者英特爾在半導體工藝製程的推進上也是持續放緩。業界出現了眾多關於「摩爾定律放緩」或者「摩爾定律失效」的說法。

對此，羅鎮球表示，「雖然有很多人說摩爾定律在減速或者是在逐漸消失，可是事實上，台積電正在用我們的工藝證明了摩爾定律仍在持續在往前推進。台積電的7nm是在2018年推出的，5nm是在2020年推出的，我們在2022年會如期推出3nm的工藝，而且我們2nm的工藝也在順利研發。」

眾所周知，對於工藝製程來說，主要是看三個方面的指標：性能、功耗和面積。從上圖當中的數字，我們可以看到，台積電從7nm到5nm再到3nm，單位面積裏面的晶體管數相比上一代都是會增長1.7到1.8倍，性能部分每代都會提升高超過10%。功耗的部分也和過去一樣，同樣性能情況下，功耗可以降低20%。

羅鎮球強調：「即使在疫情期間，半導體技術發展依然是沒有減緩，依舊依照着原來的步調持續前進。」

雖然近期外界有傳聞稱，台積電的3nm工藝開發遭遇困難，可能將導致3nm推出的時間延期。但是，羅鎮球在會後接受芯智訊專訪時表示，那些都只是傳聞，我們會如期量產3nm。

根據台積電官方的資料顯示，台積電的3nm相比上一代的5nm工藝，在邏輯密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下功耗可降低25-30%。

而對於未來如何實現晶體管的進一步微縮，羅鎮球透露，這主要有兩個方向：

1、改變晶體管的結構：目前三星已經決定在3nm採用全新的環繞柵極晶體管（GAA）結構，而台積電3nm仍然是鰭式場效晶體管（FinFET）結構。不過，台積電研發Nanosheet/Nanowire的晶體管結構（類似GAA）超過15年，已經達到非常紮實的性能。

2、改變晶體管的材料：比如可以採用二維材料來做晶體管，因為變薄了，電量控制也可以做的更好，而且性能可以更強。

「這兩個方向，台積電會齊頭並進。」羅鎮球說到。

延續摩爾定律經濟效益的另一方向：3D封裝

眾所周知，摩爾定律並不僅僅是「每隔18-24個月晶體管數量增加一倍」，而且獲得這個增加一倍的晶體管的價格還要保持不變。但實際上，隨着先進制程的持續推進，不論是芯片廠商還是消費者，所需要付出的成本近年來是在持續增長的。

那麼如何來維持摩爾定律的經濟效益呢？3D封裝技術！

3D封裝技術被認為是在保持整個芯片的系統級性能提升的同時，成本也能夠得到很好控制的一大解決方案。它可以讓單位體積下的晶體管數量成倍增長，且僅部分晶體管可能需要採用先進的工藝。

羅鎮球表示，在3D封裝方面，台積電已經布局了超過10年。目前，台積電已將先進封裝相關技術整合為「3DFabric」平台，針對前段的整合芯片系統（SoIC），針對後段封裝的整合型扇出（InFO）以及CoWoS系列家族。

「如果在一些芯片公司的發佈會上，看到他的封裝面積大於20mm×20mm，那麼它大概率採用的是2.5D封裝或者3D封裝技術做出來的。未來大家會持續看到更多採用台積電3D封裝技術的產品，不僅面積更小，性能也更強。」羅鎮球說道。

集成電路技術發展趨勢

對於集成電路技術的發展趨勢，羅鎮球認為，將會有三大方向：

1、晶圓製造的晶體管繼續微縮；2、3D集成，就是把很多芯片堆疊起來，做一個立體式的晶圓結構；3、軟件與硬件協同化設計，當客戶在定義一個產品的時候，就讓硬件跟軟件研發人員一起思考這個問題，在做芯片設計的時候，將其切割成一個一個的區塊（chiplet，芯粒），然後把各個區塊的規格定義出來，看哪一個區塊用什麼工藝最合適，這樣就可以高效的使用3D封裝技術來以較低的成本實現符合預期的性能和功耗。

羅鎮球透露：「目前台積電最新推出的芯片，單顆已經超過500億個晶體管，如果看系統層面的3D IC，目前已經推出的最多的是擁有超過3000億個晶體管。這是台積電目前已經做到的，未來還會持續推進。」

半導體製造的五大核心

在羅鎮球看來，半導體技術有五大個核心的着重點：一是，性能是否能夠繼續提升，速度是不是能更快；二是，功耗能不能繼續降低，更省電。特別是在可穿戴領域，尤為重要；三是，芯片面積能不能繼續變小；四是，能不能提供一個完整、全面的工藝平台，從而能夠做出一個完整而高效的產品；五是，產品的質量要非常穩定，做出來的產品才安全可靠。

「比如，手機裏面除了有主芯片之外，還有射頻芯片、電源管理芯片、圖像傳感器等等，還包括很多模擬芯片、射頻芯片、嵌入式存儲芯片，同時還要做人機交互界面的技術、光學技術、視覺技術、聲學技術、移動追蹤技術、生物信息識別技術，只有將這些芯片和技術集合在一起，才能做出一個有用的產品。所以完整、全面的工藝平台，對我們非常重要，不僅是數字芯片多少納米製程，還要看模擬、射頻、嵌入式存儲等方面的工藝。我覺得各個平台的工藝要齊頭並進，才能做出有效而好用的產品。」羅鎮球進一步解釋到。

最先進的汽車芯片工藝平台N5A

根據台灣媒體的報道數據顯示，全球車用微控制器（MCU）市場近9成集中在全球頂尖的六大IDM廠商，其中外包生產的60%至70%的車用MCU由台積電代工。

因此，去年年底爆發車用芯片緊缺問題之後，今年年初，美國、歐盟等政府紛紛與台積電溝通，希望能夠保障汽車芯片供應。隨後，台積電也開始積極的增產車用MCU。此前台積電公布的數據顯示，今年台積電的車用MCU的產量將較去年將提升60%。

需要指出的是，相對於其他消費類的芯片量級來說，車用半導體目前的市場規模還是相對比較小的，而且大部分主要被頭部的IDM廠商所佔據，所以台積電等代工廠拿到的車用芯片代工訂單金額也是相對有限的。

根據數據顯示，2020年全球車用半導體的總產值為374億美元，其中台積電所貢獻的營收僅佔全球車用半導體的4.07%。

但是，隨着汽車電動化、網聯化、智能化，汽車對於半導體的需求呈現爆炸式增長態勢。為此台積電也開始加大了在汽車電子領域的布局。

在會後採訪環節，羅鎮球也向芯智訊表示，汽車電子是台積電非常看好的一個市場。雖然目前整個汽車市場的增量已經比較有限，但是電動汽車對於傳統燃油車的替代，這個是一個非常大的市場，而且每一輛電動汽車，隨着智能化、聯網化，乃至自動駕駛水平的提升，對於汽車半導體需求將是會呈現很多倍的增長，所以這個領域有着非常大的市場機會。

在此次的ICCAD 2021會上，羅鎮球公布了台積電針對ADAS和智能數字駕駛艙的汽車芯片的5nm工藝平台「N5A」，這接續台積電在16nm、7nm之後的最先進的汽車電子工藝。