台积电一口气准备了五种3纳米工艺:第一种即将量产!

2022-06-23 12:42:06 来源:EETOP
来源:EETOP编译自anandtech

链接:https://www.anandtech.com/show/17452/tsmc-readies-five-3nm-process-technologies-with-finflex

台积电周四启动了 2022 年台积电技术研讨会,该公司传统上会分享其工艺技术路线图以及未来的扩张计划。台积电今天宣布的关键事项之一是其属于其N3(3 纳米级)和 N2(2 纳米级)系列的领先节点,这些节点将在未来几年用于制造先进的CPUGPU 和 SoC 。

N3:未来三年的五个节点

随着制造工艺变得越来越复杂,它们的探路、研究和开发时间也变得越来越长,因此我们不再看到台积电和其他代工厂每两年出现一个全新的节点。在N3 中,台积电的新节点引入节奏将扩大到2.5 年左右,而在N2 中,它将延长到 3 年左右。 

这意味着台积电将需要提供N3 的增强版本,以满足其客户的需求,这些客户仍在寻求每瓦性能的改进以及晶体管密度每年左右的提升。台积电及其客户需要多个版本的N3 的另一个原因是,代工厂的N2依赖于使用纳米片实现的全新栅极环绕场效应晶体管 (GAA FET),预计这将带来更高的成本、新的设计方法、新 IP 和许多其他变化。虽然尖端芯片的开发人员将很快转向N2,但台积电的许多普通客户将在未来几年坚持使用各种N3 技术。

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这意味着台积电将需要提供N3的增强版,以满足其客户的需求,这些客户仍然在寻求每瓦性能的提高以及每一年左右的晶体管密度提升。台积电及其客户需要多个版本的N3的另一个原因是,该代工厂的N2依赖于使用纳米片实现的全新的全门控场效应晶体管(GAA FET),预计这将带来更高的成本、新的设计方法、新的IP和许多其他变化。虽然前沿芯片的开发者会迅速跳到N2,但台积电的许多普通客户将在未来几年内坚持使用各种N3技术。

在其 2022 年台积电技术研讨会上,台积电谈到了将在未来几年推出的四种N3 衍生制造工艺(总共五个3 纳米级节点)——N3E、N3P、N3S 和 N3X。这些 N3 变体旨在为超高性能应用提供改进的工艺窗口、更高的性能、增加的晶体管密度和增强的电压。所有这些技术都将支持FinFlex,这是TSMC 的“秘密武器”,极大地增强了他们的设计灵活性,并允许芯片设计人员精确优化性能、功耗和成本。 

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*请注意,台积电在2020 年左右才开始分别发布针对模拟、逻辑和 SRAM 的晶体管密度增强。其中一些数字仍然反映了由 50% 逻辑、30% SRAM 和 20% 模拟组成的“混合”密度。 


N3 和 N3E:HVM 步入正轨

台积电的第一个 3 纳米级节点称为 N3,该节点有望在今年下半年开始大批量制造(HVM)。实际芯片将于2023 年初交付给客户。该技术主要针对早期采用者,他们可以投资于领先的设计,并从性能、功率、面积(PPA) 中受益前沿节点提供的优势。但由于它是为特定类型的应用量身定制的,因此N3 的工艺窗口相对较窄(产生确定结果的一系列参数),就良率而言,它可能并不适合所有应用。

这就是 N3E 发挥作用的时候。新技术提高了性能,降低了功耗,增加了工艺窗口,从而提高了产量。但权衡是该节点的逻辑密度略有降低。与N5 相比,N3E 将提供 34% 的功耗降低(在相同的速度和复杂性下)或18% 的性能提升(在相同的功率和复杂性下),并将逻辑晶体管密度提高1.6 倍。 

值得注意的是,根据台积电的数据,N3E将提供比 N4X更高的时钟速度 。不过后者也将支持超高驱动电流和1.2V以上的电压,在这一点上它将能够提供无与伦比的性能,但功耗非常高。 

总的来说,N3E 看起来是比 N3 更通用的节点,这就是为什么台积电在这一点上拥有更多的“3nm流片”而不是它在类似开发阶段的 5nm 级节点也就不足为奇了.

使用 N3E 的芯片风险生产将在未来几周(即2022 年第二季度或第三季度)开始,HVM将在 2023 年中期开始(同样,台积电没有透露我们是在谈论第二季度还是第三季度)。因此,预计商业N3E 芯片将在2023 年底或2024 年初上市。

N3P、N3S 和 N3X:性能、密度、电压

N3 的改进并不止于N3E。台积电将在 2024 年左右的某个时间推出 N3P,这是其制造工艺的性能增强版本,以及N3S,该节点的密度增强版本。不幸的是,台积电目前没有透露这些变体将提供哪些改进到基线 N3。事实上,在2022 年技术研讨会上,台积电甚至没有在其路线图中展示N3S,只是在谈话中被Kevin Zhang 提到。考虑到这一切,尝试猜测N3S的特性确实不是一件好事。

最后,对于那些无论功耗和成本都需要超高性能的客户,台积电将提供N3X,它本质上是N4X的意识形态接班人。同样,台积电没有透露有关该节点的详细信息,只是表示它将支持高驱动电流和电压。我们可能会推测N4X 可以使用背面供电,但由于我们谈论的是基于FinFET 的节点,而台积电只会在基于纳米片的N2 中实现背面供电轨,我们不确定情况是否如此。尽管如此,在电压增加和性能增强方面,台积电可能有许多优势。

FinFlex:N3 的秘诀

说到增强功能,我们绝对应该提到台积电N3 的秘诀:FinFlex 技术。简而言之,FinFlex 允许芯片设计人员精确地定制他们的构建模块,以实现更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

当使用基于 FinFET 的节点时,芯片设计人员可以在使用不同标准单元的不同库之间进行选择。标准单元是执行布尔逻辑或存储功能的最基本的构建块,由一组晶体管和互连组成。从数学的角度来看,可以使用不同配置的标准单元执行相同的功能(具有相同的结果)。但从可制造性和操作的角度来看,不同的标准单元配置具有不同的性能、功耗和面积。当开发人员需要以性能为代价最小化芯片尺寸并节省功耗时,他们会使用小型标准单元。但是,当他们需要在芯片尺寸和更高功率的权衡下最大限度地提高性能时,他们会使用大型标准单元。

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目前,在SoC设计中,芯片设计者必须坚持使用一种库/标准单元,要么用于整个芯片,要么用于整个块。例如,CPU内核可以使用3-2鳍块来实现,以使其运行速度更快,或者使用2-1鳍标准单元来减少其功耗和占用空间。这是一个公平的权衡,但它不是所有情况下的理想选择,特别是当我们在谈论3纳米级节点时,其使用成本将比现有技术更高。

对于 N3,台积电的 FinFlex 技术将允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的标准单元,以精确定制性能、功耗和面积。对于像CPU 内核这样的复杂结构,这样的优化提供了很多提高内核性能的机会,同时仍然优化了裸片尺寸。因此,我们渴望看到SoC 设计人员将如何在即将到来的N3 时代利用 FinFlex。

FinFlex并不是节点特殊化(性能、密度、电压)的替代品,因为在单一工艺技术中,工艺技术比库或晶体管结构有更大的差异,但FinFlex看起来是台积电N3节点优化性能、功耗和成本的好方法。最终,这项技术将使基于FinFET的节点的灵活性更接近于基于纳米片/GAAFET的节点,后者将提供可调节的通道宽度,以获得更高的性能或降低功耗。

总结

台积电的 N7 和 N5 一样,N3 也将成为另一个持久节点系列。尤其是随着台积电在2nm 阶段转向基于纳米片的GAAFET,3nm系列将成为该公司“经典”前沿 FinFET 节点的最后一个系列,许多客户将坚持使用几年(或者更多)。反过来,这也是台积电为不同应用准备多个版本的N3 以及 FinFlex 技术的原因,以便为芯片设计人员的设计提供一些额外的灵活性。

首批 N3 芯片将在未来几个月内投入生产,并于2023 年初上市。同时,台积电在2025 年推出N2 工艺技术后,仍将继续使用其N3 节点生产半导体

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