广告

一文览尽台积电最新技术蓝图:7纳米量产,5纳米试产

时间:2018-05-08 作者:Rick Merritt 阅读:
台积电宣布7纳米进入量产,预计在2019上半年展开5纳米制程风险试产,锁定手机与高性能运算芯片应用......
广告

持续同时朝多面向快速进展的晶圆代工大厂台积电(TSMC),于美国硅谷举行的年度技术研讨会上宣布其7纳米制程进入量产,并将有一个采用极紫外光微影(EUV)的版本于明年初量产;此物该公司也透露了5纳米节点的首个时间表,以及数种新的封装技术选项。

台积电也继续将低功耗、低泄漏电流制程技术往更主流的22/12纳米节点推进,提供多种特殊制程以及一系列嵌入式内存选项;在此同时该公司也积极探索未来的晶体管结构与材料。整体看来,这家台湾晶圆代工龙头预计今年可生产1,200万片晶圆,研发与资本支出都有所增加;台积电也将于今年开始在中国南京的据点生产16纳米FinFET制程芯片。

唯一的坏消息是,台积电的新制程节点是不完全步骤,因此带来的优势也越来越薄;而新的常态是当性能增加,功耗下降幅度通常在10~20%左右,这使得新的封装技术与特殊制程重要性越来越高。

台积电已经开始量产的7纳米制程,预期今年将有50个以上的设计案投片(tap out),包括CPU、GPU、AI加速器芯片、加密货币采矿ASIC、网络芯片、游戏机芯片、5G芯片以及车用IC。该制程节点与两个世代前的16FF+制程相较,能提供35%的速度提升或节省65%耗电,闸极密度则能提升三倍。

将采用EUV微影的N7+节点,则能将闸极密度再提升20%、功耗再降10%,不过在速度上显然没有提升──而且这些进展需要使用新的标准单元(standard cells)。台积电已经将所谓的N7+节点基础IP进行硅验证,不过数个关键功能区块还得等到今年底或明年初才能准备就绪,包括28-112G serdes、嵌入式FPGA、HBM2与DDR 5界面。

台积电研究发展/设计暨技术平台副总经理侯永清(Cliff Hou)预期,该EUV制程在布局IP方面需要多花10%~20%的力气:“我们开发了一种实用方法以渐进方式来转移IP。”他表示,经过完整认证的N7+节点EDA流程将在8月份完成;在此同时,该节点的256Mbit测试SRAM良率已经与初期版本的7纳米节点相当。

展望未来,台积电预计在2019上半年展开5纳米制程风险试产,锁定手机与高性能运算芯片应用;相较于第一版不采用EUV的7纳米制程,5纳米节点的密度号称可达1.8倍,不过功耗预期只降低20%、速度约增加15%,采用极低阈值电压(Extremely Low Threshold Voltage, ELTV)技术则或许能提升25%;台积电并未提供ELTV技术的细节。

EUV功率水平顺利朝明年初量产发展

“没有EUV,他们就无法提供与过去节点相同的微缩优势;”市场研究机构The Linley Group的分析师Mike Demler表示:“如果你看N7+制程,号称比N7制程再微缩20%,因此EUV还是更接近传统摩尔定律(Moore’s Law)微缩水平所需的,而N7到N5节点的微缩效果只会更糟。”

台积电显然拥有能在明年初以EUV微影进行量产的好运气,该公司拥有的系统在4月份以250W维持生产数周,预期明年可达到300W,这是大量生产所需的功率水平。不过要维持每日平均145W的功率,台积电还需要加把劲;对此该公司研究发展/技术发展资深副总经理米玉杰(Y.J. Mii)表示:“生产量正朝向满足量产所需发展。”

除了透露在功率以及生产量方面的显著进步,米玉杰表示,尽管仍超出三分之一,光阻剂量(resist dosage)的减少幅度也朝着该公司在2019年第一季量产的目标迈进;此外EUV光源的光罩护膜(protective pellicle的穿透率目前达到83%,明年应该可以达到90%。

米玉杰以数个案例为证明,表示EUV持续提供比浸润式步进机更佳的关键尺寸(critical dimensions)均匀度;台积电预期会同时在N7+以及5纳米节点的多个层采用EUV,并积极安装ASML的NXE3400微影设备。

看来台积电的EUV量产计划与三星(Samsung)的量产时程差距在六个月之内,后者表示将于今年导入量产,更多相关讯息可望在本月稍晚三星自家活动上曝光。而台积电与三星的EUV量产时程差距,看来并不足以让Apple或Qualcomm等大客户更换代工伙伴;市场研究机构VLSI Research执行长G. Dan Hutcheson表示,只有几个月的领先在长期看来是微不足道。

仍在萌芽阶段的台积电5纳米节点,则预计在6月份释出0.5版的EDA流程,以及在7月份推出0.5版的设计工具套件;该节点还有许多IP功能区块要到明年才会完成验证,包括PCIe 4.0、DDR 4以及USB 3.1接口。

台积电的目标是在2019年让10/7纳米节点产量增加三倍,达到一年110万片晶圆;该公司的Fab 18已经在台湾的台南科学园区兴建中,预计在2020年开始5纳米制程量产。

多种封装技术选项

台积电已经为GPU与其他处理器打造CoWoS 2.5D封装技术,还有智能型手机芯片适用的晶圆级扇出式封装InFO,除了继续推广这两种技术,该公司还将添加其他新技术选项。

从明年初开始,CoWoS技术将提供具备倍缩光罩(reticle)两倍尺寸的硅中介层选项,以因应该领域的需求;而具备130微米凸块间距的版本则将在今年通过质量认证。InFO技术则会有四种衍生技术,其中内存基板应用的InFO-MS,将在1x倍缩光罩的基板上封装SoC与HBM,具备2x2微米的重分布层(redistribution layer),将在9月通过验证。

InFO-oS则拥有与DRAM更匹配的背向RDL间距,而且已经准备就绪;一种名为MUST的多堆栈选项,将1~2颗芯片放在另一颗比较大的芯片顶部,然后以位于堆栈底部的硅中介层来连结。最后还有一种InFO-AIP就是封装天线(antenna-in-package)技术,号称外观尺寸可缩小10%,天线增益则提高40%,锁定5G基频芯片的前端模块应用等设计。

市场研究机构TechSearch International总裁暨资深封装技术分析师Jan Vardaman表示:“InFO是重要的平台,台积电的以PoP形式整合内存与基频/调制解调器的InFO封装令人印象深刻──高度较低、尺寸较小而且性能更佳;基板上InFO技术则会在市场上大受欢迎,因为2微米线宽与间距适合多种应用。”

不只如此,台积电还发表两种全新的封装技术选项。其中在4月底问世的WoW (wafer-on-wafer)封装直接以打线堆栈三颗裸晶,不过使用者还需要确定其EDA流程是否支持这种打线(bonding)技术;该技术还将在6月推出支持EMI的版本。

最后台积电还大略描述了一种被称为“整合芯片系统”(system-on-integrated-chips,SoICs)的技术,采用10纳米以下的互连来连结两颗裸晶,但技术细节还要到明年才会透露;该技术锁定的应用从行动通讯到高性能运算,而且能链接采用不同制程节点生产的裸晶,看来是某种形式的系统级封装(SiP)。

一位分析师在台积电技术研讨会的休息时间表示:“日月光(ASE)一直是封装技术领域的领导者,但现在我得说台积电才是。”台积电的动机很明显,随着CMOS制程微缩的优势渐退,封装技术能有助于性能表现,一部份是透过更快的内存存取。

在过去几年,拥有三种后段制程生产线的台积电拿到了Apple的大订单,部份是因为InFO与Xilinx还有Nvidia,也有部份是因为CoWoS。而The Linley Groupe的Demler表示,新的封装技术选项“看来是在摩尔定律终结之后具备长期潜力的替代方案,但成本相当昂贵,也仍有许多问题待克服。”

填满主流制程选项

台积电有超过三分之一的营收来自于28纳米以上节点,因此该公司除了提及在特殊制程方面的进展,也有比尖端制程旧一至两个世代的制程节点新进展。

举例来说,台积电正在开发22纳米平面制程与12纳米FinFET制程的超低功耗与超低漏电版本,号称能与Globalfoundries和Samsung的FD-SOI制程分庭抗礼。新版本的22纳米制程采用28纳米设计规则,提供10%的光学微缩(optical shrink)与速度增益,或者能降低20%功耗;该制程与相关IP将于今年底准备就绪,锁定先进MCU、物联网与5G毫米波芯片等应用。

12纳米版本的低功耗/低漏电制程则采用FinFET架构以及更小巧的单元库(cell libraries),可提供比台积电16FFC 制程高16%的速度,高速Serdes等少数几个IP则要到明年才问世。

内存方面,40纳米的电阻式RAM已经准备好取代物联网芯片中的闪存,只需要添加两层光罩,并支持10年的储存时间以及1万次读写周期。将于今年问世的22纳米嵌入式MRAM支持高于闪存的速度与更长的储存期限,锁定汽车、手机、高性能运算等设计;该技术到目前为止号称在测试芯片上皆具备高良率。

此外,台积电也提供小型化的微机电系统(MEMS)制程,预期在今年秋天可提供整合10V与650V驱动器的硅基氮化镓(GaN-on-silicon)制程,明年则可完成蜂巢式通讯功率放大器采用的100V D-HEMT制程验证。

台积电也具备车用16FFC制程的经验证EDA流程以及IP,计划今年底可提供7纳米车用制程,将于2019年第二级通过完整认证。

中国市场与晶体管研发进展

除了宣布其位于中国南京的晶圆厂比预期提早数个月展开16纳米FinFET制程生产,台积电也透露了长期研发计划,以及在制程自动化方面采用机器学习的进度。

台积电南京厂的第一阶段建筑包括媲美Apple美国新总部但规模没那么大、外观像宇宙飞船的员工餐厅以及管状的办公大楼,以及月产量2万片晶圆的厂房;而该厂区若完成所有建设,月产量最高可达到8万片晶圆。

tmsc18050801
台积电南京厂外观设计图(来源:EE Times)

在此同时,台积电的研究员在适合2纳米以下制程节点应用的下一代晶体管所需之堆栈纳米线(nanowires)、纳米片(nanosheets)设计上取得了进展,号称能支持比FinFET更佳的静电(electrostatics)特性,而且可以藉由调整组件宽度达到功耗与性能的优化。

台积电认为锗(germanium)是具备潜力的硅替代材料,因为在相同速度下功耗较低;该公司已经在与CMOS兼容之介电质中利用该材料,达到了创纪录的低接触电阻。台积电也正在研究各种2D后段材料,包括具备原子级光滑表面的二硫化钼(molybdenum disulfide)。

此外台积电也在实验新方法来放大铜晶粒(copper grain),以降低互连中的电阻;并正在研发选择性介电质上介电质(selective dielectric-on-dielectric)沉积制程,以实现铜通孔的(vias)的自动对准(self-aligning)。

在内存技术方面,22纳米以下节点应用的嵌入式MRAM技术是重点研发项目之一,有可能具备替代性磁结构;在40纳米以下电阻式随机存取内存(ReRAM)部份,高密度的纵横闩(crossbar)被视为具能源效益的方案,特别是应用于AI加速度芯片。

在制程自动化部份,台积电正采用机器学习技术系统化分析大量晶圆制程数据,并已经针对特定工具与产品调整了制程参数(recipe);此外该公司也针对制程变异进行追踪与分类,以实现找出工具、制程或材料中问题所在的自动化。

台积电拥有具备超过5万种制程参数与上千万制程管制图(control charts)的数据库,不过该公司将如何把机器学习运用于自动化任务,以及将运用于何种产品在线,目前并不清楚──毫无疑问,仍有某项工作正在进行中,或许其中也有一些不为外人道的秘方。

编译:Judith Cheng

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Rick Merritt
EE Times硅谷采访中心主任。Rick的工作地点位于圣何塞,他为EE Times撰写有关电子行业和工程专业的新闻和分析。 他关注Android,物联网,无线/网络和医疗设计行业。 他于1992年加入EE Times,担任香港记者,并担任EE Times和OEM Magazine的主编。
  • 探讨最新处理器技术, 共话MCU生态 2021年8月26日,由ASPENCORE举办的一场“全球MCU生态发展大会”汇聚了微控制器领域的技术和应用专家,共同探讨最新处理器技术、边缘AI、新兴应用和生态发展等热门议题。此次大会的主题为“把握'芯'基建,共绘MCU生态”。
  • NVIDIA完成收购DeepMap,或进军自动驾驶 ​​​​​​​自动驾驶已经到了半成熟半应用阶段,往往这个时候,各大巨头都会开始加码投入。最近,NVIDIA就宣布完成了对DeepMap的收购,此举或将加大其进军自动驾驶领域的技术储备。
  • 微型螳螂虾机器人即将面世 ​​​​​​​机器人已经成为未来最受关注的十大科技领域之一,无论是工业机器人还是人形机器人,也不论是中大型机械臂机器人还是小型微型机器人,现在各企业各研究机构均根据自身资源进行重点研发投入。最近,有美国科学研究人员模仿螳螂虾的弹簧铁拳机制正在研发微型螳螂虾机器人,这款微型机器人或许不久将面世。
  • 国产7nm芯片试产,14nm“香山”芯片已完成设计 芯片,其实一直以来就是全球科技产业的核心,只是最近由于贸易与科技的竞争与纷争,导致芯片研发与生产代工成为一个尤为重要的问题,特别是美国对中国的科技芯片压制以来,中国14nm以下的先进制程芯片备受关注。不过,最近有消息显示:中国国产7nm芯片已经试产,14nm“香山”芯片已经完成了设计。
  • 下一代iPad或可以触觉反应,将是电子产品的一大革命 苹果的产品一向以接近人的真实体验而深受消费者喜爱,最近一项专利显示,下一代苹果iPad或可以触觉反馈,即按压屏幕可以得到反应,从而实现一个类似触摸有生命力的生物的感觉,如果这项专利能够实现并应用,将是电子产品的一大进步或者革命。
  • 丰田将推Arene汽车车机操作系统 ​​​​​​​操作系统已经成为世界各大巨头的一个新的竞争赛道,谁能咋某一个领域推行操作系统,谁就可能占据这个领域的市场基础。最近,有报道称丰田将在自己熟悉的汽车领域推出自己的汽车上的车机操作系统:Arene,时间或在五年内。
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • ​快人一步,一触即发|芯海科技信号 视频来源:iQOO手机官方微博8月17日晚,iQOO8系列未来电竞旗舰重磅发布,通过屏下双控压感实现更多样的操控体验,双指变四指手速度倍增,在保持机身简洁的同时助你成为自带BUFF的竞技
  • 泰艺电子推出小型化恒温控制晶体振 泰艺电子,频率控制解决方案的领先供货商,推出全新 NN 系列恒温控制晶体振荡器(OCXO),能够满足严格的频率稳定度要求,同时具备优越的相位噪声性能。
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了