台積電3nm技術進度好於預期

2023-04-21
作者 Majeed Ahmad,EDN主編

台積電今年下半年更預計推出升級版3nm製程的N3E。業界預期,在蘋果採用3nm製程生產其智慧型手機晶片,將刺激Android手機跟進,改變智慧型手機的競爭局面。

宣稱要在去年下半年啟動3nm節點的台積電(TSMC),罕見於去年12月29日舉行台南科學園區3nm量產暨擴廠典禮。在三星(Samsung)基於Gate-All-Around (GAA)架構啟動3nm晶片製造的六個月後,台積電已成功運用相對成熟的FinFET電晶體架構,成功將製程節點從5nm推進到3nm。

據多間媒體報導,蘋果(Apple)已經包下台積電第一代3nm N3製程的首批量產晶片。報導指出N3製程的良率預期將在2023年下半年推升到80%。屆時如AMD、英特爾(Intel)及高通(Qualcomm)等台積電其他客戶,也計畫採用其3nm製程生產晶片。

N3使用非常複雜24層、多重圖案(multi-pattern)的極紫外光(EUV)顯影製程,密度更高而可提供更高的邏輯電路密度。另一方面,升級版的N3E則使用相對簡單、19層單一圖案(Single-pattern)的顯影製程,更容易投入生產,成本也更低;與N3相比,其功率消耗更少,時脈也更快。

台積電總裁魏哲家預期3nm在量產的五年後,將有機會創造超過1.5兆美元的生意。不過就現在來說,相較台積電N5、也就是其5nm晶圓代工價格16,000美元,N3得付出的成本為20,000美元。這也是為何除了蘋果之外,其他晶片開發商仍在等待更具成本效益的N3E的部分原因。

相較在2020年推出的5nm節點製程,台積電表示其N3製程的邏輯電路密度將提升60~70%,在節省30~35%功率消耗的同時還能提升15%的效能。這邊需要注意的是,台積電升級版的N5,蘋果稱之為4nm,本質上生產的仍為5nm的晶片。從增強的5nm前進到3nm,將帶來顯著的益處,包括更低的功耗極更高的電路密度,並能在相同面積下,增加60%甚至更多的晶片邏輯和快取。

3nm將躍升智慧型手機的主戰場

蘋果用於預期在今年下半年發表的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max手機的系統單晶片(SoC) A17,將使用台積電的3nm技術。蘋果前一代iPhone 14 Pro及Pro Max的A16晶片,是使用台積電的4nm製程,而這個3nm技術相較於4nm,預期帶來35%的功耗改善。

據多間媒體的報導,蘋果也預計今年上市的MacBook Air,內部使用的M3晶片也會採用台積電的3nm製程製造。同樣的,預計2024年上市的MacBook Pros內部M3 Pro及M3 Max晶片,也預計會使用台積電的3nm製程。

蘋果是台積電最大客戶,佔台積電整體營收25%,傳出有意包下台積電所有N3產能。另一方面,蘋果在先進智慧型手機晶片的主要競爭者,包括高通及聯發科技(MediaTek),選擇要等待台積電預計於今年下半年發表的N3E製程。值得一提的是,蘋果投入自製SoC是被整合到自己的終端產品,高通與聯發科技則只能靠晶片獲利,這也可能是為何像這類智慧型手機處理器的供應商,會希望等待更具經濟效益的N3E推出。

 

圖1:台積電第一個3nm N3製程相較5nm製程,同樣的功率消耗下可提升15%的效能,相同速度下亦可提升30%的效率。

(來源:台積電)

 

這樣的趨勢下,無疑會將Android手機在2024年及之後,同樣採用3nm的晶片,並更進一步擴大蘋果在智慧型手機市場的領先地位。與此趨勢不同,傳出採用三星3nm製程的三星Exynos 2300晶片,很可能尚未用於其最新上市的Galaxy S23或其他Galaxy系列的高階手機。

 

圖2:N3E製程節點被預期將在2023年下半年投入商用。

(來源:台積電)

 

在智慧型手機之外,包括AMD、Nvidia等為電競等應用提供繪圖處理器(GPU)的供應商,也在關注台積電的N3E製程。

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