芯耀
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TSMC上周四進(jìn)行了2022年TSMC技術(shù)研討會(huì)，按照慣例分享了其工藝技術(shù)路線(xiàn)圖及未來(lái)的擴(kuò)張計(jì)劃。TSMC這次宣布的關(guān)鍵事項(xiàng)之一是N3（3nm級(jí)）和N2（2nm級(jí)）系列的前沿節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在未來(lái)幾年用于制造先進(jìn)的CPU、GPU和SoC。
N3：未來(lái)三年5個(gè)節(jié)點(diǎn)
隨著制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，它們的尋路和研發(fā)時(shí)間也被拉長(zhǎng)了，所以我們不再看到TSMC和其他代工廠(chǎng)每?jī)赡晖瞥鲆粋€(gè)全新的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于N3，臺(tái)積電的新節(jié)點(diǎn)推出周期將延長(zhǎng)到了2.5年左右，而N2將延長(zhǎng)到3年左右。
這意味著TSMC需要提供N3的增強(qiáng)版，以滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求，這些客戶(hù)仍在尋求每瓦性能的提升，以及每一年左右的晶體管密度的提升。TSMC及其客戶(hù)需要多版本的N3的另一個(gè)原因是，N2依賴(lài)于基于nanosheet技術(shù)的全新的GAA FET（gate-all-around field-effect transistors），預(yù)計(jì)這將帶來(lái)更高的成本、新的設(shè)計(jì)方法、新的IP和許多其他變化。雖然前沿芯片的開(kāi)發(fā)者會(huì)迅速跳到N2，但TSMC的許多普通客戶(hù)將在未來(lái)幾年內(nèi)堅(jiān)持使用各種N3技術(shù)。
在2022年的TSMC技術(shù)研討會(huì)上，談到了四種N3衍生出的制造工藝（共5個(gè)3nm級(jí)節(jié)點(diǎn)），N3E、N3P、N3S和N3X將在未來(lái)幾年內(nèi)推出。這些N3衍生版預(yù)計(jì)將為超高性能應(yīng)用提供更好的工藝窗口、更高的性能、更高的晶體管密度和更大的電壓。所有這些技術(shù)都將支持FinFlex，這是TSMC的一個(gè)“秘訣”，大大增強(qiáng)了其設(shè)計(jì)靈活性，使芯片設(shè)計(jì)者能夠精確地優(yōu)化性能、功耗和成本。
請(qǐng)注意，TSMC在2020年左右才開(kāi)始分別公布模擬、邏輯和SRAM的晶體管密度提升情況。一些數(shù)字仍然反映了由50%邏輯、30%SRAM和20%模擬組成的“混合”密度。
N3和N3E：即將量產(chǎn)
TSMC的第一個(gè)3nm級(jí)節(jié)點(diǎn)是N3，這個(gè)節(jié)點(diǎn)有望在今年下半年開(kāi)始量產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)主要針對(duì)早期采用者（Apple等公司），他們可以投資于前沿設(shè)計(jì)，并將受益于前沿節(jié)點(diǎn)所提供的PPA（performance, power, area）優(yōu)勢(shì)。但由于它是為特定類(lèi)型的應(yīng)用定制的，N3的工藝窗口（產(chǎn)生確定結(jié)果的參數(shù)范圍）相對(duì)較窄，就產(chǎn)量而言，它可能不適合所有的應(yīng)用。
這就是N3E發(fā)揮作用的時(shí)候了。這項(xiàng)新技術(shù)提高了性能，降低了功耗，并增加了工藝窗口，從而提高了產(chǎn)量。但代價(jià)是，該節(jié)點(diǎn)的邏輯密度略有下降。與N5相比，N3E功耗低34%（在相同的速度和復(fù)雜度下）或性能提高18%（在相同的功耗和復(fù)雜度下），并將邏輯晶體管密度提高了1.6倍。
值得注意的是，根據(jù)TSMC的數(shù)據(jù)，N3E將提供甚至比N4X（2023年）更高的時(shí)鐘速度。然而，后者還將支持1.2V以上的超高驅(qū)動(dòng)電流和電壓，屆時(shí)它將能夠提供無(wú)與倫比的性能，但功耗非常高。
總的來(lái)說(shuō)，N3E看起來(lái)是一個(gè)比N3更通用的節(jié)點(diǎn)，這就是為什么TSMC在這一點(diǎn)上的3nm的衍生版比它的5nm級(jí)節(jié)點(diǎn)在類(lèi)似的發(fā)展階段更多的原因，這并不奇怪。
使用N3E的芯片的風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)將在未來(lái)幾周開(kāi)始（即2022年第二季度或第三季度），量產(chǎn)將在2023年中期開(kāi)始。因此，預(yù)計(jì)商用N3E芯片將在2023年底或2024年初上市。
N3P、N3S和N3X：性能、密度、電壓
N3的改進(jìn)并不局限于N3E。TSMC將在2024年左右推出N3P，即其制造工藝的性能增強(qiáng)版，以及N3S，即該節(jié)點(diǎn)的密度增強(qiáng)版?？上SMC目前沒(méi)有披露這些衍生版與基線(xiàn)N3相比會(huì)有哪些改進(jìn)。事實(shí)上，在這一點(diǎn)上，TSMC甚至沒(méi)有在其路線(xiàn)圖的所有版本中顯示N3S，所以試圖猜測(cè)它的特性真的不合適。
最后，對(duì)于那些無(wú)論功耗和成本都需要超高性能的客戶(hù)，TSMC將提供N3X，這基本上是N4X理論的繼承者。同樣，TSMC沒(méi)有透露這個(gè)節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)，只是說(shuō)它將支持高驅(qū)動(dòng)電流和電壓。我們可能會(huì)猜測(cè)N4X可能使用背面供電，但由于我們談?wù)摰氖腔?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/FinFET/">FinFET的節(jié)點(diǎn)，而TSMC只打算在基于nanosheet的N2中實(shí)現(xiàn)背面供電軌道，我們不確定是否如此。盡管如此，TSMC在提高電壓和增強(qiáng)性能方面可能有許多王牌。
FinFlex: N3的秘訣
說(shuō)到增強(qiáng)功能，我們肯定應(yīng)該提到TSMC為N3設(shè)計(jì)的秘訣：FinFlex技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)inFlex允許芯片設(shè)計(jì)者精確地定制他們的構(gòu)建模塊，以實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的密度和更低的功耗。
當(dāng)使用基于FinFET的節(jié)點(diǎn)時(shí)，芯片設(shè)計(jì)者可以選擇使用不同晶體管的不同庫(kù)。當(dāng)開(kāi)發(fā)者需要以性能為代價(jià)最小化芯片尺寸并節(jié)省功耗時(shí)，他們會(huì)使用double-gate single-fin（2-1）FinFET。但是，當(dāng)他們需要在芯片尺寸和更高功耗的權(quán)衡下最大限度地提高性能時(shí)，他們使用triple-gate dual-fin（3-2）FinFET。當(dāng)開(kāi)發(fā)者需要一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)，他們會(huì)使用dual-gate dual-fin（2-2）FinFET。
目前，在整個(gè)芯片或SoC設(shè)計(jì)的整個(gè)模塊中，芯片設(shè)計(jì)師必須堅(jiān)持使用一種庫(kù)/晶體管類(lèi)型。例如，CPU內(nèi)核可以使用3-2 FinFET來(lái)實(shí)現(xiàn)，以使其運(yùn)行速度更快，或者使用2-1 FinFET來(lái)降低其功耗和占用空間。這是一個(gè)公平的權(quán)衡，但它不是所有情況下的理想選擇，特別是當(dāng)我們?cè)谡務(wù)?nm級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)，其使用成本將比現(xiàn)有技術(shù)更高。
對(duì)于N3，TSMC的FinFlex技術(shù)將允許芯片設(shè)計(jì)者在一個(gè)區(qū)塊內(nèi)混合和匹配不同種類(lèi)的FinFET，以精確定制性能、功耗和面積。對(duì)于像CPU內(nèi)核這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這樣的優(yōu)化給了很多機(jī)會(huì)來(lái)提高內(nèi)核性能，同時(shí)還能優(yōu)化芯片尺寸。因此，我們渴望看到SoC設(shè)計(jì)者在迫在眉睫的N3時(shí)代如何利用FinFlex的優(yōu)勢(shì)。
FinFlex不能替代節(jié)點(diǎn)專(zhuān)業(yè)化（性能、密度、電壓），因?yàn)楣に嚰夹g(shù)比相同工藝技術(shù)中的庫(kù)或晶體管結(jié)構(gòu)有更大的差異，但FinFlex看起來(lái)是優(yōu)化TSMC N3節(jié)點(diǎn)的性能、功率和成本的一個(gè)好方法。最終，這項(xiàng)技術(shù)將使FinFET的靈活性更接近基于nanosheet的GAAFETs，后者將提供可調(diào)節(jié)的通道寬度以獲得更高的性能或降低功耗。
總結(jié)
與TSMC的N7和N5一樣，N3將是TSMC另一個(gè)長(zhǎng)期節(jié)點(diǎn)系列。特別是隨著TSMC 2nm級(jí)的基于nanosheet的GAAFet的飛躍，3nm系列將是該公司“經(jīng)典”前沿FinFET節(jié)點(diǎn)的最后一個(gè)系列，也是很多客戶(hù)將堅(jiān)持?jǐn)?shù)年（或更長(zhǎng)時(shí)間）的節(jié)點(diǎn)。這也是為什么TSMC正在為不同的應(yīng)用準(zhǔn)備多個(gè)版本的N3，以及FinFlex技術(shù)，為芯片設(shè)計(jì)者提供一些額外的設(shè)計(jì)靈活性。
首批N3芯片將在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)投入生產(chǎn)，并在2023年初投放市場(chǎng)。同時(shí)，TSMC在2025年推出N2工藝技術(shù)后，還將繼續(xù)使用其N(xiāo)3節(jié)點(diǎn)。
[參考文章]
TSMC Readies Five 3nm Process Technologies, Adds FinFlex For Design Flexibility — Anton Shilov
