[原创] 台积电工艺的最新分享：信息量巨大

“今年是台积电成立 35 周年。1987 年我们成立，当时我们一共拥有 258 名员工，并发布了涵盖 3 种技术的 28 种产品；十年后，我们拥有 5,600 名员工，发布了涵盖 20 种技术的 915 款产品；到 2022 年，我们有 63,000 名员工，将发布 12,000 种产品，涵盖 300 项技术。”

“从 2018 年到 2022 年，12 英寸晶圆（当量）的年复合增长率超过 70%。特别是，我们看到‘big die’产品数量的显著增加。”  (>500mm²)

“2021年，台积电北美业务板块出货量超过700万片，产品出货量超过5500件。有 700 个新产品流片 (NTO)。这部分占台积电收入的 65%。”

“我们的 gigafab 扩张计划通常包括每年增加两个新的‘阶段’——2017-2019 年就是这种情况。2020 年，我们开设了六个新阶段，包括我们的先进封装工厂。2021年有7个新阶段，包括台湾和海外的晶圆厂，也增加了先进封装产能。2022年将有5个新阶段，无论是在台湾还是在海外。”

• N2晶圆厂：新竹Fab20

• N3：台南Fab 18

• N7和N28：高雄Fab22

• N28：中国南京的Fab16

• N16、N28 和专业技术：日本熊本的 Fab23（2024 年）

• 亚利桑那州的 N5（2024 年）

“统计全球已经安装的EUV光刻机系统中，台积电拥有了其中的 55%”

“我们将在 2022 年大幅扩大资本设备投资。” （下表突出显示了上限设备计划支出的大幅增长。）

“我们正在经历成熟工艺节点的制造压力。35 年来，我们从未在后续节点大规模生产后增加成熟节点的产能——但这种情况正在发生庄边。我们正在投资以提高我们 45nm 工艺的产能。” （后来，在与另一位台积电高管的问答环节中，有记者问道是否会在例如 90nm 或 65nm等其他成熟节点上执行产能扩张，他们给出的回应是：“不，扩张计划目前仅针对 45nm 节点。”）

“我们继续大力投资‘智能制造’，专注于精密过程控制、工具生产力和质量。每个 gigafab 每天处理 1000 万个调度订单，并优化工具生产力。每个 gigafab 每天都会生成 70B 的数据点以进行主动监控。”

在研讨会上，首次在展厅分配了一个特殊的“创新区”。重点介绍了一些初创公司最近提供的产品。台积电表示：“我们增加了支持投资，以帮助小公司采用我们的技术。有一个专门的团队专注于初创企业。对小客户的支持一直是重点。也许这个领域的某个地方将成为下一个英伟达。”

最后但同样重要的是，台积电在 2022 年宣布了面向大众的下一代工艺技术 (N2)。

除了进一步讨论的一些例外情况外，支撑技术路线图演示有些例行公事——这不是一件坏事，而是表明正在成功执行先前的路线图。

路线图更新被提出了两次，一次是作为技术议程的一部分，另一次是作为台积电平台解决方案重点的一部分。回想一下，台积电特别确定了四个“平台”，它们分别接受开发投资以优化工艺技术产品，当中包括：移动；高性能计算（HPC）；汽车；和物联网（超低功耗）。下面的摘要合并了两个演示文稿。

• 到 2022 年底，超过 400 个 NTO，主要在智能手机和 CPU 市场

• N6 提供从 N7 的透明迁移，支持 IP 重用

• N6RF 将成为即将推出的 WiFi 7 产品的射频解决方案

• 有一个 N7HPC 变体（上图中未显示），在overdrive VDD 电平下提供约 10% 的性能提升

• 对于 N6，基于逻辑单元的模块可以在新库中重新实现，以进一步提高性能，实现主要的逻辑密度提高 (~18%)。

• 在生产的第 3 年，使用这个工艺的晶圆出货量超过 200 万片，到 2022 年底将达到 150 个 NTO

• 移动客户是第一位的，其次是 HPC 产品

• 路线图包括正在进行的 N4制程增强

• N4P 基础 IP 已准备就绪，接口 IP 在 2022 年第三季度可用（到 v1.0 PDK）

• 有一个 N5HPC 变体（上图中未显示，性能提升约 8%，HVM 将在 2H22）

• N3 将于 2022 年下半年开始进入 HVM

• 一年后大规模量产N3E 工艺变体；台积电期望该工艺在移动和 HPC 平台上得到广泛采用

• N3E 已准备好开始设计（v0.9 PDK），在标准 256Mb 存储器阵列鉴定测试现场具有高良率

• N3E 添加了“FinFLEX”方法选项，三个不同的单元库针对不同的 PPA 要求进行了优化

请注意，N3 和 N3E 与之前的台积电工艺路线图有些反常。N3E 不会提供从 N3 透明迁移的 IP。N3E 产品有点“修正”，因为采用了对 N3 的重大设计规则更改来提高良率。

台积电的早期采用者客户在积极的时间表上推动工艺 PPA 更新，无论是对现有基线（例如，N7 到 N6、N5 到 N4）的增量兼容变体，还是新节点。最初的 N3 流程定义具有良好的 NTO pipeline，但 N3E 将成为未来变体的基础。

• 基于纳米片技术，目标生产日期：2025

• 与 N3E 相比，N2 将提供约 10-15% 的性能提升（@iso-power，0.75V）或约 25-30% 的工号降低（@iso-perf，0.75V）；另请注意上图中指定的工作范围低至 0.55V

• N2 将为后端配电网络提供支持

顺便说一句，台积电面临两难境地，即不同平台的要求具有如此广泛的功耗、性能和面积/成本目标。如上所述，N3E 正在使用不同的库解决这些问题，并结合了定义单元高度的，不同数量的鳍。对于 N2 库设计，该设计决策被关于整个垂直堆叠纳米片数量的工艺技术决策所取代（器件纳米片宽度有一些允许的变化）。就纳米片拓扑而言，看看台积电选择为 N2 提供什么来覆盖移动和 HPC 市场将会很有趣。（下图来自台积电在 VLSI 2022 大会上的早期技术演示，描绘了 3 个纳米片。）

台积电将以下产品定义为“Specialty Technologies”（专业技术）类别：

一、超低功耗/超低泄漏（使用超高 Vt 器件变体）

二、（嵌入式）非易失性存储器

1、通常与微控制器 (MCU) 集成，通常在 ULP/ULL 过程中

2、RRAM

3、MRAM

• 22MRAM已经量产，重点是提高耐受度
  

• 2023 年量产面向Automotive Grade 1应用的 16MRAM

三、电源管理 IC (PMIC)

• 基于双极 CMOS-DMOS (BCD) 器件：40BCD+、22BCD+

• 适用于复杂的 48V/12V 电源域

• 需要极低的设备 R_on

四、高压应用 （例如，显示驱动器，使用 N80HV 或 N55HV）

五、模拟/混合信号应用 ，需要独特的有源和无源结构（例如，使用 N22ULL和 N16FFC 的精密薄膜电阻器和低噪声器件）

六、MEMS （用于运动传感器、压力传感器）

七、CMOS 图像传感器 (CIS)

N65 像素大小为 1.75um，N28 像素大小为 0.5um，过渡到 N12FFC

八、射频 (RF) ，从毫米波到更长波长的无线通信；即将推出的 WiFi7 标准被强调

“从 WiFi6 到 WiFi7 的过渡将需要显著增加面积和功率，以支持增加的带宽要求——例如，2.2X 面积和 2.1X 工号。台积电正在对 N6RF 产品进行认证，与 N16RF 相比，功耗降低了约 30-40%。这将允许当前使用 N16RF 的客户在开发 WiFi7 设计时大致维持现有的功率/面积目标。”

下图说明了这些专业技术如何成为平台产品（例如智能手机和汽车产品）的基本组成部分。还显示了用于这些应用程序的特征过程节点。

尽管智能手机开发的重点往往集中在主应用处理器上，但下表突出了对专业技术产品及其相关功能的极其多样化的要求。在汽车领域，向“区域控制”架构的过渡将需要一套新的汽车 IC。

台积电特别强调了新发布的 FinFLEX 方法，台积电表示，FinFLEX 将提供 N5 的全节点扩展。

• 2:1超低功耗库（轨道高度由 2 pFET:1 nFET 定义）

• 2:2高效库

• 3:2性能库

下图来自台积电的 FinFLEX 网站，说明了这个概念。

现在，在单个 SoC 上集成多个库并不是什么新鲜事。多年来，处理器公司开发了独特的“datapath”和“control logic”库产品，针对不同的目标：单元高度、电路性能、可布线性（即最大单元面积利用率）和不同的逻辑产品（例如，宽 AND-用于数据路径多路复用的或门）。然而，使用多个库的 SoC 设计的物理实现依赖于每个设计块的一致库。

尽管上面的 TSMC 图片还描绘了每个块（block）一个库，但 FinFLEX 方法的独特性在于多个库和多个轨道高度将在一个块中混合。  将支持 2:1 加 2:2 库和 2:2 加 3:2 库组合。

台积电表示， “在一个块中启用不同的单元高度（在单独的行中）以优化 PPA。N3E 中的 FinFLEX 结合了新的设计规则、新的布局技术以及对 EDA 实施流程的重大更改。”

肯定会有更多关于 FinFLEX 和一般设计流程变化的信息。另一方面，需要有新的方法来：

一、floorplanning

• 为一个block规划两种不同行高的百分比组合

• 不同库行中单元的目标利用率百分比以实现可布线性（包括用于decap fill的 open cells）

• 对于具有显著百分比的低功率单元的块的 PDN“减少”方法

• block的布局规划迭代次数（通过物理综合）以达到闭合

二、physical synthesis

• 合成将如何改善关键信号的时序

为了改善高负载信号的时序，综合通常会将库中的单元分配更新为下一个更高的驱动强度——例如，NAND2_1X 到 NAND2_2X。

对于 FinFLEX，第二个库提供了其他选项——例如，对 NAND2_1X_2:2 的更新是使用 NAND2_2X_2:2 还是 NAND2_1X_3:2。然而，如果选择后者，则需要将新单元“重新平衡”到块平面图中的不同行。这些选择的性能和输入/输出线负载的有效变化在物理综合期间难以估计（更不用说不同库单元的输出上升与下降的特定 RDLY 和 FDLY 延迟转换可能会不同地缩放）。

考虑到要使用的特定触发器单元（specific flop cells ）时，单元选择选项变得更加复杂，不仅考虑到clock-to-Q 延迟的差异，还考虑到建立和保持时间特性以及输入时钟负载。寄存器中的各个触发器位在同一库中使用不同的驱动强度（并放置在本地）与将寄存器位重新平衡到对应于不同库选择的行相比，什么时候会更好？

三、子块级IP集成

块通常包含许多小的硬核 IP 宏，例如寄存器文件（通常由寄存器文件生成器提供）。由于跨越单个块的单元行高度不均匀，这些硬核 IP 宏将如何设计和放置？

四、物理设计期间的时序/功耗优化

与物理综合模块构建（physical synthesis block construction）选项类似，在物理设计流程的时序和功率优化步骤中，单元选择将面临困难的决定。例如，如果一个单元可以降低其分配的驱动强度以节省功耗，同时仍然满足时序，是否会考虑改变库选择，从而重新平衡行？单元格位置的变化会否定优化吗？

五、最后但最重要的是，启用 N3E FinFLEX 是否会产生新的 EDA 许可费用？

（几年前，我以前雇主的 CAD 部门经理在许可证成本加法器上大行其道，以实现多模式要求的布局和布线。鉴于支持 FinFLEX 所需的大量 EDA 投资，历史可能会重演，增加许可证功能成本.)

FinFLEX 方法无疑提供了一些有趣的选项。看看这种方法如何演变将非常有趣。

最后，台积电简要强调了他们在协助设计人员将模拟/混合信号电路和布局迁移到更新的工艺节点方面正在进行的工作。

具体来说，台积电定义了一组“模拟单元”，能够采用现有原理图、重新映射到新节点、评估电路优化和迁移布局，包括自动布局和（PG + 信号）布线。

N5/N4 和 N3E 的模拟单元库的定义已经完成，后续支持 N7/N6。TSMC 展示了一个通过迁移流程的运算跨导放大器 (OTA) 示例。

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