台積電更新技術路線圖：3納米工藝目標 2022 年下半年量產

4 月 27 日消息，台積電周二更新了其製程工藝路線圖，稱其 4 納米工藝晶元將在 2021 年底進入「風險生產」階段，並於 2022 年實現量產；3 納米產品預計在 2022 年下半年投產，2 納米工藝正在開發中。

在產能方面，沒有任何競爭對手能威脅到台積電的主導地位，而且未來幾年內也不會。至於製造技術，台積電最近重申，它有信心其 2 納米（N2）、3 納米（N3）和 4 納米（N4）工藝將按時推出，並保持比競爭對手更先進節點工藝領先優勢。

今年早些時候，台積電將 2021 年的資本支出預算大幅提高到 250 億至 280 億美元，最近更是追加到 300 億美元左右。這是台積電未來三年增加產能和研發投入計劃的一部分，該公司計劃三年總共投資 1000 億美元。

在台積電今年 300 億美元的資本預算中，約 80% 將用於擴大先進技術的產能，如 3 納米、4 納米、5 納米、6 納米以及 7 納米晶元。華興證券分析師認為，到今年年底，先進節點上的大部分資金將用於將台積電的 5 納米產能擴大到每月 11 萬至 12 萬片晶圓。

與此同時，台積電錶示，其資本支出的 10% 將用於先進的封裝和掩模製造，另外 10% 將用於支持專業技術開發，包括成熟節點的定製版本。

台積電最近提高資本支出的舉措是在英特爾宣布其 IDM 2.0 戰略 (涉及內部生產、外包和代工運營) 之後做出的，並在很大程度上重申了該公司在競爭加劇之際對短期和長期未來的信心。

台積電總裁兼首席執行官魏哲家在最近與分析師和投資者的電話會議上表示：「作為一家領先的晶圓代工企業，台積電在成立 30 多年的歷史中從未缺乏競爭，但我們知道如何競爭。我們將繼續專註於提供領先的技術、卓越的製造服務，並贏得客戶的信任。其中，贏得客戶信任是相當重要的，因為我們沒有與客戶競爭的內部產品。」

N5 工藝贏得客戶信賴

台積電是 2020 年中期第一家開始使用其 N5 工藝技術進行大規模晶元製造 (HVM) 的公司。最初，該節點僅用於為台積電的最重要客戶服務，即蘋果和海思。如今，隨著更多客戶已經準備好各自的 N5 規格晶元設計，因此該節點的採用正在增長。與此同時，台積電錶示，計劃使用 N5 系列技術 (包括 N5、N5P 和 N4) 的客戶比幾個月前預計的要多。

魏哲家說：「N5 已經進入量產的第二個年頭，產量比我們最初的計劃要高。在智能手機和高性能計算（HPC）應用的推動下，N5 的需求繼續強勁，我們預計 2021 年 N5 將貢獻晶圓收入的 20% 左右。事實上，我們看到 N5 和 N3 的客戶越來越多。需求如此之高，我們必須準備好應對的準備。」

對於台積電來說，HPC 應用包括許多不同類型的產品，比如 AI 加速器、CPU、GPU、FPGA、NPU 和視頻遊戲 SoC 等。由於台積電只是代工製造商，不會透露它使用哪種節點生產的產品，但 N5 在 HPC 領域的採用率正在增長這一事實非常重要。

魏哲家表示：「我們預計，在智能手機和 HPC 應用需求強勁的推動下，未來幾年對我們 N5 系列的需求將繼續增長。我們預計 HPC 不僅會在第一波增長中出現，實際上還會在更多的需求波中出現，以支持我們未來領先的 N5 節點。」

台積電 N5 在尖端技術採用者中的市場份額正在增加，這並不特別令人驚訝。華興資本分析師估計，台積電 N5 的晶體管密度約為每平方毫米 1.7 億個晶體管，這將使其成為當今可用密度最高的技術。相比之下，三星電子的 5LPE 每平方毫米可以容納大約 1.25 億到 1.3 億個晶體管，而英特爾的 10 納米節點晶體管密度大約為每平方毫米 1 億個。

在接下來的幾周里，台積電將開始使用其名為 N5P 的 N5 改進技術性能增強版來製造晶元，該技術承諾將頻率提高至多 5%，或將功耗降低至多 10%。N5P 為客戶提供了一條無縫的遷移路徑，無需大量的工程資源投資或更長的設計周期，因此任何使用 N5 設計的用戶都可以使用 N5P。例如，N5 的早期採用者可以將他們的 IP 重新用於 N5P 晶元。

N4 明年將投入量產

台積電的 N5 系列技術還包括將在今年晚些時候進入「風險生產」階段，並將在 2022 年用於批量生產的 N4 工藝晶元。這項技術將提供比 N5 更多的 PPA (功率、性能、面積) 優勢，但保持相同的設計規則、設計基礎設施、SPICE 模擬程序和 IP。同時，由於 N4 進一步擴大了 EUV 光刻工具的使用範圍，它還減少了掩模數量、工藝步驟、風險和成本。

魏哲家說：「N4 將利用 N5 的強大基礎進一步擴大我們的 5 納米系列技術優勢。N4 是從 N5 直接遷移過來的，具有兼容的設計規則，同時為下一波 5 納米產品提供進一步的性能、功率和密度增強。N4 的目標是今年下半年進入風險生產階段，2022 年實現批量生產。」

到 2022 年 N4 產品投入量產時，台積電將擁有約兩年的 N5 經驗和三年的 EUV 經驗。因此，人們的預期是，其收益率將會很高。但是，即使 N4 被認為是尖端的，它也不會是台積電明年提供的最先進位造技術。

N3 將於 2022 年下半年亮相

2022 年，台積電將推出其全新的 N3 製造工藝，該工藝將繼續使用 FinFET 晶體管，但預計將提供一整套 PPA 改進方案。特別是，與目前的 N5 工藝相比，台積電的 N3 承諾將性能提高 10%-15%，或者降低 25%-30% 的功耗。同時，根據結構的不同，新節點還將使晶體管密度提高 1.1 到 1.7 倍。

N3 將進一步增加 EUV 層的數量，但將繼續使用 DUV 光刻。此外，由於該技術始終在使用 FinFET，它將不需要從頭開始重新設計的新一代電子設計自動化 (EDA) 工具和開發全新的 IP，相對於三星基於 GAAFET/MBCFET 的 3GAE，這可能更具競爭優勢。

魏哲家表示：「N3 將是我們繼 N5 之後的又一次全面節點跨越，它將使用 FinFET 晶體管結構為我們的客戶提供最好的技術成熟度、性能和成本。我們的 N3 技術開發進展良好。與 N5 和 N7 相比，我們繼續看到 N3 的 HPC 和智能手機應用客戶參與度要高得多。」

事實上，台積電聲稱客戶對 N3 的參與度越來越高，間接地表明了其對 N3 寄予了厚望。魏哲家說：「N3 的風險生產預計在 2021 年啟動，量產目標是在 2022 年下半年。我們的 N3 技術推出後，將成為 PPA 和晶體管技術中最先進的代工技術。我們有信心，我們的 N5 和 N3 都將成為台積電大規模和持久使用的節點工藝。」

超越 N3

全柵場效應晶體管 (GAAFET) 仍是台積電發展路線圖的重要組成部分。該公司預計將在其「後 N3」技術 (大概是 N2) 中使用全新的晶體管。事實上，台積電正處於尋找下一代材料和晶體管結構的階段，這些材料和晶體管結構將在未來許多年內使用。

台積電在最近的年報中稱：「對於先進的 CMOS（互補金屬氧化物半導體），台積電的 3 納米和 2 納米 CMOS 節點在流水線上進展順利。」此外，台積電加強的探索性研發工作集中在 2 納米節點、3D 晶體管、新存儲器和 Low-R 互連等領域，這些領域正在為引入許多技術平台奠定堅實的基礎。

值得注意的是，台積電正在 12 號工廠擴大研發能力，目前正在研發 N3、N2 和更先進的節點。

有信心超越代工行業整體增長率

總體而言，台積電相信，其「大家的晶圓代工廠」(everyone's foundry) 戰略將使其在規模、市場份額和銷售額方面進一步增長。該公司還預計，未來將保持其技術領先地位，這對其增長至關重要。

台積電首席財務官黃文德最近在與分析師和投資者的電話會議上表示：「我們現在預測，2021 年全年，代工行業的增長率約為 16%。對於台積電來說，我們有信心能夠超越晶圓代工行業的整體增長，在 2021 年實現 20% 左右的增長。」

該公司擁有強大的技術路線圖，並將繼續每年推出改進的前沿節點，從而以可預測的節奏為客戶提供技術改進。

台積電知道如何與擁有尖端節點的競爭對手以及專註於專業工藝技術的晶元製造商競爭，因此它並不認為英特爾代工服務 (IFS) 是直接的威脅，特別是因為後者主要聚焦於尖端和先進的節點。

金融分析師普遍認同台積電的樂觀態度，主要是因為預計該公司的 N3 和 N5 節點將不會有競爭對手提供類似的晶體管密度和晶圓產能。

華興證券分析師表示：「繼英特爾今年 3 月宣布的晶圓代工業務回歸後，台積電願意從 2021 年開始制定為期 3 年的 1000 億美元資本支出和研發投資計劃，這表明其有信心擴大代工領導地位。我們認為，隨著 N3 和 N5 的出現，台積電的戰略價值也在上升：HPC 和智能手機應用的 N5 生產活動強勁，同時與 N5 和 N7 在類似階段相比，N3 客戶的參與度更高。」