台積電N3製程為何被拋棄?

作者 : 黃燁鋒,國際電子商情(ESMC)

前不久,中國「手機晶片達人」在微博上提到台積電內部決定放棄N3製程,甚至連蘋果都放棄了N3;台積電轉而將注意力放到N3E製程上...

其實這則消息並不意外。台積電在今年早前的Technology Symposium技術研討會上,N3部分被一筆帶過,台積電就技術層面花了比較多的精力去談N3E製程。且當時就已經基本明確,N3不會成為客戶採用的主流製程——據說在這個節點很早就已經遭到拋棄。 台積電和三星的3nm「期貨」製程 2019年4月,三星就宣稱3GAE的PDK 0.1問世;但去年三星Foundry公佈的路線圖上,原定2022年量產的首代3GAE製程不見了,國外媒體AnandTech認為3GAE可能只是某個內部試產的節點。 同樣的事情似乎也出現在了台積電身上。先前的消息都明確提到,台積電N3製程預計於2022年下半年量產(比上代節點進入規模化量產的時間更久)。N3製程仍然採用FinFET結構。先前台積電說N3相比於N5,同功耗下能實現大約10~15%的速度提升;同性能下達成25~30%的功耗降低。 針對數位邏輯電路,N3實現了1.7倍的電晶體密度提升;而在類比電路上達成的密度提升為1.1倍;SRAM單元的密度提升為1.2倍。從計畫表來看,N3理論上應該在這兩個月進入量產。     但從台積電的技術研討會來看,N3並不會成為主流節點,早前就已經被放棄。Wikichip說似乎台積電的工程師在N3製程開發上遇到了一些問題,所以決定中途變向。而先前計畫中N3製程的加強版節點N3E,實際上和N3有著比較大的差異,從PPA到設計規則都不同。 這麼看來,台積電N3實際扮演的角色和三星3GAE就非常類似,大約是為了達成先前所說量產時間的預期。或者說台積電再次對於競爭對手三星率先公佈3nm量產時間節點的某種回擊?這在晶圓代工廠之間,好像也已經不再奇怪了;畢竟4nm也差不多是這樣。 接棒的加強版N3E製程 半導體尖端製程技術的首代節點被放棄其實並不奇怪,這其中的先鋒應該是Intel。Intel的首代10nm製程是在2018年就出現,但由於良率和性能問題,Intel迅速拋棄了當時少量試產的Cannon Lake處理器和首代10nm製程,就仿佛首代10nm根本沒存在過。 三星、台積電和Intel都遭遇了這種事,就充分說明半導體製造的尖端製程,在技術上有多容易「碰壁」。即便拋開這幾家廠商沒意義的說法所致的非良性宣傳,未來各家是否真的能夠如時間表那樣如期量產新的製程節點,都會成為一個巨大的未知數。 N3E作為N3的接棒者,理論上就要可靠許多。N3E製程當然還是採用FinFET結構。N3E雖然被台積電放到了N3家族之下,但這兩者的差別還是比較大,首先就是設計規則存在很大不同,所以這兩個節點是相互不相容的,晶片設計客戶從N3到N3E沒有直接的IP遷移路徑。 同時台積電表示N3E相比N3,能夠透過製程更低的複雜度達成更高的良率——換句話說這是個降本增效的製程。那麼很顯然,通常客戶應該都會選擇N3E。更重要的是台積電提到,N3E提供完整的平台支援,包括智慧型手機和HPC應用。對於像蘋果這樣的大客戶而言,iPhone、Mac晶片都是由台積電生產製造,選擇N3E更是必然之舉。 台積電表示,PDK 0.9已經交到客戶手上。從先前的計畫來看,N3E應該在N3一年後出現,也就是2023年下半年。從PPA的角度來看,N3E和N3也不一樣。N3E相比N5,數位邏輯電路的元件密度提升大約為1.6倍,類比電路密度提升1.1倍。所以N3E實則相較N3是有元件密度的小幅下降——但這也正常,同家族內製程演進的元件密度退步是常事。Wikichip預計,N3E的電晶體密度在180~220MTr/mm² (百萬電晶體每平方毫米)之間。 就元件密度問題,台積電還提供了一個資料,在一顆晶片50%邏輯電路密度+30% SRAM密度+20%類比密度的情況下,則N3E的「晶片密度」提升為1.3倍。筆者始終認為,這個資料比廠商公佈的密度提升資料,以及評測分析機構普遍給出的電晶體密度資料更有參考價值。 另外,台積電表示N3E有著更高的良率,性能和功耗表現也都更出色:同功耗下,速度提升15~20%;同性能下,功耗降低30~35%。從先前台積電公佈有關N3的資料來看,N3E相比N3似乎有著比較顯著的進步。     標準單元庫方面,N3E有HP、Mid和HD單元。值得一提的是,單元庫層級出現了一種FinFlex的方案。這似乎是一種讓電源軌更靠近,最佳化單元佈局的技術;或者說多單元庫某種更細細微性的組合方案,可以達成更好的性能和電特性。具體有針對高性能應用的3-2 Ultra High Performance和針對低功耗的2-1 Ultra Power Efficient方案可選。 這種FinFlex技術的出現,實則也讓「電晶體密度」的計算方式有更大的商榷餘地。預計未來隨著元件排布方式的持續變化(和3D化),「電晶體密度」究竟怎麼算大概還會有一次標準上的轉變。現在所謂的電晶體密度,主要是根據先前Intel提出的計算方法而來。 最後,N3E節點家族內還會有N3P、N3X、N3S、N3RF多種選擇。其中N3S算是N3E的高密度版,據說N3S將有著3nm家族之內最高的元件密度,主要是單元庫層面的優化——那麼很顯然這就是主要針對低功耗的應用。N3S大約會在N3E的兩季以後上量,大約是2024年年中。N3P和N3X都主要針對高性能應用,目前沒有這兩者的PPA資料和具體的面試時間。 半導體尖端製程技術範疇內,台積電最大的客戶應該就是蘋果了。從蘋果晶片的演進可見尖端製程技術推進的緩慢。2020年iPhone 12的A14晶片採用台積電5nm製程,次年iPhone 13的A15仍然是5nm,今年iPhone 14的非Pro系列不僅繼續沿用A15,而且Pro系列的A16雖說用上了「更先進」的N4P製程,但實際上仍然是N5同家族內的製程改良。 3年都是同代製程…而這A14→A15、A15→A16也真的堪稱蘋果晶片史上性能提升幅度最小的兩次演化了,雖說蘋果本身大概也有一定的責任,半導體製程技術升級緩步才是其中根本,未來產業將面對的工程問題只會越來越大。 本文原登於國際電子商情網站        

發表評論

  1. 周夢夢表示:

    後年才會是技術上的決戰
    2奈米GAA結構的爭鋒相對
    在這之前基本上都還會是台積電比較優勢
    GAA製程
    三星 vs 台積電
    一個有更多製造經驗一個有更多專利