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臺積電2022年技術論壇依舊選擇在線舉行。《國際電子商情》第一時間整理了本次技術論壇的幾大重點板塊，涉及：7nm至2nm先進工藝、產能現狀、包括射頻/連網性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理芯片在內的特色工藝規劃等。


過去的兩年里，新冠肺炎疫情加速了全球數字化轉型進程，影響滲透至各個產業。在這段時間里，科技的進步大幅地幫助和改變了企業及人們的工作方式，距離不再成為限制。無論是人工智能、5G、還是即將到來的6G技術，新世界已經重新定義了自動駕駛、數字醫療、數字貨幣、高性能計算(HPC)、氣候變遷等領域。
臺積電總裁魏哲家日前在臺積電2022年技術論壇上發表主題演講時稱，“僅在去年一年里，我們就見證了半導體經濟架構的根本轉變”。例如隨著人們對邊緣設備智能性和數據中心大規模運算能力的需求越來越高，高能效、低能耗、功率效率變得尤為重要。同時，為了實現更優異的系統級性能，3D IC在市場上的機會也將同步增長。Allied Market Research預計，在2022年至2030年之間，3D IC市場的復合年增長率將超過20%。
他援引Gartner的數據稱，半導體產業營收增長率超過25%。該趨勢預計將在接下來的十年里持續下去，從而在2030年達到年營收1萬億美元的規模。
但魏哲家同時指出，其實早在疫情之前，出于地緣政治的考慮，不少企業就已經開始將供應鏈的彈性視為比成本更重要的因素，只不過疫情加速了這個趨勢。因此，轉向增加庫存成為企業普遍的做法，以盡量減少供應中斷，并越來越傾向于更本地化的供應鏈。
另一方面，結構性增長導致了先進和成熟工藝制程供不應求。成熟工藝制程的成本結構現在反映了尖端技術的情況，在這種情況下，產能擴張意味著必須擴建新的晶圓廠。
《國際電子商情》也在第一時間整理了本次技術論壇的幾大重點板塊，涉及：7nm至2nm先進工藝、產能現狀、包括射頻/連網性、CMOS影像感測、MEMS和電源管理芯片在內的特色工藝規劃等。
持續擴大產能投資
從透露出的信息來看，2018-2022年，臺積電先進制程產能的年復合成長率為70%，2022年5nm產能會是2020年(量產首年)四倍以上；特色工藝產能占臺積電成熟制程產能的比重將會從2018年的45%提升至2022年的63%，與2021年相比，2022年12寸晶圓的特色工藝產能會成長14%；EUV機臺總數量占全球EUV機臺的55%。
與此相對應的是，過去三年中，臺積電的資本支出增加了超過一倍，從2019年低于150億美元，增加至2021年的300億美元，再到2022年的400-440億美元，主要是為先進工藝制程、成熟工藝制程和3DFabric建置產能。
在新晶圓廠規劃方面，在建中的南京28納米晶圓廠預計于今年第四季度開始量產；美國亞利桑那州的晶圓廠正在興建當中，預計于2024年量產5納米工藝；日本熊本工廠正在擴廠建設，用以提供12/16納米和28納米家族技術的晶圓制造服務，來滿足全球市場對特殊工藝的強勁需求，預計于2024年開始量產。
而在臺灣本地，臺南Fab 18第五、六、七、八、九期將成為3nm制程生產基地；新竹Fab 20將成為2nm制程生產基地；位于高雄的Fab 22將增加7nm和28nm產能，預計于今年下半年動工，2024年投入量產。
先進封裝方面，目前，臺積電在竹南擁有一座3DFabric的全自動化工廠，將先進測試、SoIC和InFO/CoWoS運作整合在一起。根據規劃，臺積電已經在2022年開始了SoIC芯片堆棧制造，并計劃在2023年開始3DFabric的全面運作。產能方面，預計其2022年先進封裝產能將比2018年擴大3倍，并在2026年將產能擴大到20倍以上。
2nm，2025年量產
以穩定和可預測的速度提供領先業界的技術發展，強化每個工藝技術的性能、功耗和密度(PPA)，同時保持設計規則的兼容性，以實現硅IP的再利用，是臺積電在先進工藝方面設定的目標。


圖源：TSMC
7納米家族
臺積電7nm工藝在2018年進入量產階段，覆蓋智能手機、CPU、GPU和XPU、射頻和消費電子等多個應用領域，預計到2022年底以前，產品設計定案的累積數量將超過400個。
5納米家族
今年是臺積電5nm技術進入量產的第三年，智能手機、5G、AI、網絡和高性能計算產業是其主要應用領域，公司大量生產的經驗不僅應用于良率的提高，還應用于性能、設計規則和芯片密度的提升，預計到今年年底將有超過150個產品設計定案。
目前，臺積電已經將N4、N4P和N4X技術加入5納米家族，有望為即將到來的5納米產品提供持續的PPA升級。數據顯示，從N5到N4X，產品性能提升了15%，芯片密度提高了6%，并同時保持了設計規則的兼容性，以實現設計再利用、更多功能和更佳的規格提升。
2021年，在16FFC、N7基礎上，臺積電還面向汽車產業應用升級推出了最先進的N5A汽車平臺計劃，相關設計生態系統預計在今年第三季度通過AEC-Q100 Grade-2等級認證。
3納米家族
臺積電3納米工藝技術將繼續采用FinFET半導體結構，并認為此工藝的性能和技術成熟度最能夠滿足產業的需求。目前來看，N3工藝正按計劃順利推進，將于2022年下半年量產，N3E將于2023年下半年量產。
考慮到減少鰭片數量對提升PPA至關重要。今年，臺積電在3納米技術基礎上推出了TSMC FINFLEX這一創新型突破架構，它結合了工藝制程和設計的創新，提供了極致的設計彈性，在高性能和低功耗兩者間實現了完美的平衡。


圖源：TSMC
通過在一個設計區塊中混合不同的組件高度，FINFLEX架構將3納米家族技術的產品性能、功率效率和密度進一步提升，讓芯片設計人員能夠在相同的芯片上利用相同的設計工具來選擇最佳的鰭結構支持每一個關鍵功能區塊，分別有3-2鰭、2-2鰭、以及2-1鰭結構可供選擇：
3-2鰭—最快的頻率和最高的效能，滿足最高要求的運算需求
2-2鰭—高效性能，在性能、功率效率和密度之間取得良好的平衡
2-1鰭—超高的功效、最低的功耗、最低的漏電和最高的密度
這樣的設計，使N3E實現了從N5的全一代微縮，為移動和HPC應用提供了完整的平臺支持，并將具有更強的性能、功率和較低的工藝制程復雜性。但這種新模式需要新的設計規則和新的布局。臺積電一直在與電子設計自動化伙伴合作，確保所有主要EDA工具都經過認證，并針對FINFLEX架構進行了優化。
2納米家族
在過去的15年中，臺積電一直在研究納米片(nanosheet)晶體管，并堅信N2是導入納米片晶體管的合適工藝制程。
由于納米片晶體管具有卓越的低Vdd性能，N2在正常Vdd及相同的功耗下，性能提高了15%，在較低的Vdd(0.55V)下，優勢擴大到26%。在納米片晶體管和設計技術協同優化(DTCO)的幫助下，相較于N3E，N2在相同功耗下的速度提升了10-15%，在相同速度下功耗降低25-30%。目前，N2的開發按計劃順利推進，預計于2025年量產。
N2之后的技術創新
在N2之后，臺積電的創新將集中在新型晶體管結構、新材料、持續微縮和新導體材料等方面。例如，多年來，標準半導體架構的演變已經從平面式晶體管轉至鰭式場效晶體管(FinFET)，并將再次發展到納米片晶體管。甚至在納米片之外，未來也還有許多可能的方向，包括CFET(垂直堆棧的nFET和Pfet)。除此之外，臺積電還期待在2D材料、1D碳納米管等方面實現突破，在不斷微縮的同時，克服芯片移動性方面的挑戰。
EUV發展藍圖
為了積極解決關鍵工藝制程的間距縮小問題，從N7+開始，臺積電開始采用EUV曝光設備和多重曝刻技術，并預計在2024年引進High-NA EUV曝光設備，以開發客戶所需的相關基礎架構和曝刻解決方案，以支持創新。
2025年，特殊工藝產能增加近50%
近年來，臺積電在特殊技術的投資的復合年增長率超過64%，幾乎是過去投資速度的三倍。在接下來的幾年內，臺積電預計會進一步擴增特殊工藝產能，到2025年，特殊工藝產能增加近50%。
最能說明特殊技術需求增長的是智能手機和汽車。
智能手機將通過更多的傳感器獲得更多的功能，在不同的頻段有更多的射頻/Wi-Fi連接，為新的和獨特的應用提供更先進的信號處理，以及越來越多的PMIC或電源IC。


圖源：TSMC
隨著汽車變得更智能，除了傳統的微控制器之外，它們還需要更多的傳感器、雷達和聯網性，電動車還需要更多的電源管理IC。


圖源：TSMC
支持物聯網和邊緣人工智能的超低功率技術
繼N12e工藝之后，臺積電宣布的下一代物聯網平臺是N6e。N6e以先進的7納米技術為基礎，將為物聯網應用帶來更加節能的運算能力。相較于22ULL，N12e可以提供約1.7倍的閘密度，而N6e將是N12e的3倍左右。
支持5G和連網性的先進射頻技術
先進的射頻產品需要更高效能和低功耗的運算能力。相較于N16 RF，N6RF的功耗降低49%，面積減少55%，能夠完全抵消Wi-Fi 7增加的功耗/面積需求。
MCU/嵌入式非揮發性內存
以MRAM和RRAM為代表的新型嵌入式內存技術，已經在22納米和40納米工藝上投產，下一代12RRAM技術預計將在2023年底前完成。其中，40RRAM的生產自2022年第一季以來持續在進行當中，在40納米和22納米工藝上都有多款客戶產品設計定案；22MRAM目前正在生產，以支持物聯網/穿戴式應用；而16MRAM則預計在2022年進行消費電子應用認證，在2023年進行汽車應用認證。
CMOS影像感測
臺積電相信CMOS影像感測的未來在于多晶圓混合堆棧。利用這一先進的晶圓堆棧整合技術，客戶可以解決像素縮放的問題，同時在傳感器旁邊整合更多的節能運算能力。
顯示器
在5G、人工智能和AR/VR的推動下，許多新的應用對更高分辨率和更低功耗的需求與日俱增。臺積電μDisplay on silicon技術可以提供高達10倍的像素密度，以實現例如AR和VR中使用的近眼顯示器所需的高分辨率。
3DFabric系統整合解決方案
盡管當前單一芯片可以整合超過500億個晶體管，然而這還是無法滿足超大規模運算的超高效能需求，以解決癌癥和氣候變遷相關應用帶來的挑戰。為了實現這樣的運算能力，有效地整合許多小芯片成為新的設計趨勢。
3DFabric是臺積電推出的系統整合解決方案，結合了硅芯片技術、TSMC-SoIC芯片堆棧平臺、以及整合型扇出(InFO)和CoWoS先進封裝平臺。其SoIC芯片堆棧晶圓(CoW)開發從具有9微米鍵合間距的N7-on-N7堆棧開始，并已經開始通過N7-on-N7 SoIC-CoW工藝進行生產，隨后是更先進的硅節點和更細的鍵合間距。一個成功案例來自AMD，在采用SoIC-CoW技術后，他們成功將SRAM堆棧成世界上第一個基于SoIC的CPU的3級高速緩存，見證了顯著的效能提升。


圖源：TSMC
下一步，臺積電還計劃與客戶和DRAM伙伴積極合作，確保在HPC和移動應用中分別為CoWoS和InFO-PoP/InFO_B提供強大的高帶寬內存(HBM)和低功耗DDR整合。