小米生態(tài)鏈公司之間的產(chǎn)品類別互有重疊的現(xiàn)象已經(jīng)不稀奇了,，這次輪到的是ZMI持續(xù)同時朝多面向快速進展的晶圓代工大廠臺積電(TSMC)，于美國硅谷舉行的年度技術(shù)研討會上宣布其7納米制程進入量產(chǎn)，并將有一個采用極紫外光微影(EUV)的版本于明年初量產(chǎn),；此物該公司也透露了5納米節(jié)點的首個時間表，以及數(shù)種新的封裝技術(shù)選項,。
臺積電也繼續(xù)將低功耗,、低泄漏電流制程技術(shù)往更主流的22/12納米節(jié)點推進，提供多種特殊制程以及一系列嵌入式內(nèi)存選項,；在此同時該公司也積極探索未來的晶體管結(jié)構(gòu)與材料,。整體看來，這家臺灣晶圓代工龍頭預(yù)計今年可生產(chǎn)1,200萬片晶圓,，研發(fā)與資本支出都有所增加,；臺積電也將于今年開始在中國南京的據(jù)點生產(chǎn)16納米FinFET制程芯片。
唯一的壞消息是,，臺積電的新制程節(jié)點是不完全步驟,，因此帶來的優(yōu)勢也越來越薄,；而新的常態(tài)是當(dāng)性能增加,，功耗下降幅度通常在10~20%左右，這使得新的封裝技術(shù)與特殊制程重要性越來越高,。
臺積電已經(jīng)開始量產(chǎn)的7納米制程,，預(yù)期今年將有50個以上的設(shè)計案投片(tap out)，包括CPU,、GPU,、AI加速器芯片、加密貨幣采礦ASIC,、網(wǎng)絡(luò)芯片,、游戲機芯片,、5G芯片以及車用IC。該制程節(jié)點與兩個世代前的16FF+制程相較,，能提供35%的速度提升或節(jié)省65%耗電,，閘極密度則能提升三倍。
將采用EUV微影的N7+節(jié)點,，則能將閘極密度再提升20%,、功耗再降10%，不過在速度上顯然沒有提升──而且這些進展需要使用新的標(biāo)準(zhǔn)單元(standard cells),。臺積電已經(jīng)將所謂的N7+節(jié)點基礎(chǔ)IP進行硅驗證,，不過數(shù)個關(guān)鍵功能區(qū)塊還得等到今年底或明年初才能準(zhǔn)備就緒，包括28-112G serdes,、嵌入式FPGA,、HBM2與DDR 5界面。
臺積電研究發(fā)展/設(shè)計暨技術(shù)平臺副總經(jīng)理侯永清(Cliff Hou)預(yù)期,，該EUV制程在布局IP方面需要多花10%~20%的力氣：“我們開發(fā)了一種實用方法以漸進方式來轉(zhuǎn)移IP,。”他表示,，經(jīng)過完整認(rèn)證的N7+節(jié)點EDA流程將在8月份完成,；在此同時，該節(jié)點的256Mbit測試SRAM良率已經(jīng)與初期版本的7納米節(jié)點相當(dāng),。
展望未來,，臺積電預(yù)計在2019上半年展開5納米制程風(fēng)險試產(chǎn)，鎖定手機與高性能運算芯片應(yīng)用,；相較于第一版不采用EUV的7納米制程,，5納米節(jié)點的密度號稱可達1.8倍，不過功耗預(yù)期只降低20%,、速度約增加15%，采用極低閾值電壓(Extremely Low Threshold Voltage,， ELTV)技術(shù)則或許能提升25%,；臺積電并未提供ELTV技術(shù)的細節(jié)。
EUV功率水平順利朝明年初量產(chǎn)發(fā)展
“沒有EUV,，他們就無法提供與過去節(jié)點相同的微縮優(yōu)勢,；”市場研究機構(gòu)The Linley Group的分析師Mike Demler表示：“如果你看N7+制程，號稱比N7制程再微縮20%,，因此EUV還是更接近傳統(tǒng)摩爾定律(Moore’s Law)微縮水平所需的,，而N7到N5節(jié)點的微縮效果只會更糟?！?/p>
臺積電顯然擁有能在明年初以EUV微影進行量產(chǎn)的好運氣,，該公司擁有的系統(tǒng)在4月份以250W維持生產(chǎn)數(shù)周,，預(yù)期明年可達到300W，這是大量生產(chǎn)所需的功率水平,。不過要維持每日平均145W的功率,，臺積電還需要加把勁；對此該公司研究發(fā)展/技術(shù)發(fā)展資深副總經(jīng)理米玉杰(Y.J. Mii)表示：“生產(chǎn)量正朝向滿足量產(chǎn)所需發(fā)展,?！?/p>
除了透露在功率以及生產(chǎn)量方面的顯著進步，米玉杰表示,，盡管仍超出三分之一,，光阻劑量(resist dosage)的減少幅度也朝著該公司在2019年第一季量產(chǎn)的目標(biāo)邁進；此外EUV光源的光罩護膜(protective pellicle的穿透率目前達到83%,，明年應(yīng)該可以達到90%,。
米玉杰以數(shù)個案例為證明，表示EUV持續(xù)提供比浸潤式步進機更佳的關(guān)鍵尺寸(critical dimensions)均勻度,；臺積電預(yù)期會同時在N7+以及5納米節(jié)點的多個層采用EUV,，并積極安裝ASML的NXE3400微影設(shè)備。
看來臺積電的EUV量產(chǎn)計劃與三星(Samsung)的量產(chǎn)時程差距在六個月之內(nèi),，后者表示將于今年導(dǎo)入量產(chǎn),，更多相關(guān)訊息可望在本月稍晚三星自家活動上曝光。而臺積電與三星的EUV量產(chǎn)時程差距,，看來并不足以讓Apple或Qualcomm等大客戶更換代工伙伴,；市場研究機構(gòu)VLSI Research執(zhí)行長G. Dan Hutcheson表示，只有幾個月的領(lǐng)先在長期看來是微不足道,。
仍在萌芽階段的臺積電5納米節(jié)點,，則預(yù)計在6月份釋出0.5版的EDA流程，以及在7月份推出0.5版的設(shè)計工具套件,；該節(jié)點還有許多IP功能區(qū)塊要到明年才會完成驗證,，包括PCIe 4.0、DDR 4以及USB 3.1接口,。
臺積電的目標(biāo)是在2019年讓10/7納米節(jié)點產(chǎn)量增加三倍,，達到一年110萬片晶圓；該公司的Fab 18已經(jīng)在臺灣的臺南科學(xué)園區(qū)興建中,，預(yù)計在2020年開始5納米制程量產(chǎn),。
多種封裝技術(shù)選項
臺積電已經(jīng)為GPU與其他處理器打造CoWoS 2.5D封裝技術(shù)，還有智能型手機芯片適用的晶圓級扇出式封裝InFO,，除了繼續(xù)推廣這兩種技術(shù),，該公司還將添加其他新技術(shù)選項。
從明年初開始，CoWoS技術(shù)將提供具備倍縮光罩(reticle)兩倍尺寸的硅中介層選項,，以因應(yīng)該領(lǐng)域的需求,；而具備130微米凸塊間距的版本則將在今年通過質(zhì)量認(rèn)證。InFO技術(shù)則會有四種衍生技術(shù),，其中內(nèi)存基板應(yīng)用的InFO-MS,，將在1x倍縮光罩的基板上封裝SoC與HBM，具備2x2微米的重分布層(redistribution layer),，將在9月通過驗證,。
InFO-oS則擁有與DRAM更匹配的背向RDL間距，而且已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,；一種名為MUST的多堆棧選項,，將1~2顆芯片放在另一顆比較大的芯片頂部，然后以位于堆棧底部的硅中介層來連結(jié),。最后還有一種InFO-AIP就是封裝天線(antenna-in-package)技術(shù),，號稱外觀尺寸可縮小10%，天線增益則提高40%,，鎖定5G基頻芯片的前端模塊應(yīng)用等設(shè)計,。
市場研究機構(gòu)TechSearch International總裁暨資深封裝技術(shù)分析師Jan Vardaman表示：“InFO是重要的平臺，臺積電的以PoP形式整合內(nèi)存與基頻/調(diào)制解調(diào)器的InFO封裝令人印象深刻──高度較低,、尺寸較小而且性能更佳,；基板上InFO技術(shù)則會在市場上大受歡迎，因為2微米線寬與間距適合多種應(yīng)用,?！?/p>
不只如此，臺積電還發(fā)表兩種全新的封裝技術(shù)選項,。其中在4月底問世的WoW (wafer-on-wafer)封裝直接以打線堆棧三顆裸晶,，不過使用者還需要確定其EDA流程是否支持這種打線(bonding)技術(shù)；該技術(shù)還將在6月推出支持EMI的版本,。
最后臺積電還大略描述了一種被稱為“整合芯片系統(tǒng)”(system-on-integrated-chips,，SoICs)的技術(shù)，采用10納米以下的互連來連結(jié)兩顆裸晶,，但技術(shù)細節(jié)還要到明年才會透露,；該技術(shù)鎖定的應(yīng)用從行動通訊到高性能運算，而且能鏈接采用不同制程節(jié)點生產(chǎn)的裸晶,，看來是某種形式的系統(tǒng)級封裝(SiP),。
一位分析師在臺積電技術(shù)研討會的休息時間表示：“日月光(ASE)一直是封裝技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,，但現(xiàn)在我得說臺積電才是,。”臺積電的動機很明顯，隨著CMOS制程微縮的優(yōu)勢漸退,，封裝技術(shù)能有助于性能表現(xiàn),，一部份是透過更快的內(nèi)存存取。
在過去幾年,，擁有三種后段制程生產(chǎn)線的臺積電拿到了Apple的大訂單,，部份是因為InFO與Xilinx還有Nvidia，也有部份是因為CoWoS,。而The Linley Groupe的Demler表示,，新的封裝技術(shù)選項“看來是在摩爾定律終結(jié)之后具備長期潛力的替代方案，但成本相當(dāng)昂貴,，也仍有許多問題待克服,。”
填滿主流制程選項
臺積電有超過三分之一的營收來自于28納米以上節(jié)點,，因此該公司除了提及在特殊制程方面的進展,，也有比尖端制程舊一至兩個世代的制程節(jié)點新進展。
舉例來說,，臺積電正在開發(fā)22納米平面制程與12納米FinFET制程的超低功耗與超低漏電版本,，號稱能與Globalfoundries和Samsung的FD-SOI制程分庭抗禮。新版本的22納米制程采用28納米設(shè)計規(guī)則,，提供10%的光學(xué)微縮(optical shrink)與速度增益,，或者能降低20%功耗；該制程與相關(guān)IP將于今年底準(zhǔn)備就緒,，鎖定先進MCU,、物聯(lián)網(wǎng)與5G毫米波芯片等應(yīng)用。
12納米版本的低功耗/低漏電制程則采用FinFET架構(gòu)以及更小巧的單元庫(cell libraries),，可提供比臺積電16FFC 制程高16%的速度,，高速Serdes等少數(shù)幾個IP則要到明年才問世。
內(nèi)存方面,，40納米的電阻式RAM已經(jīng)準(zhǔn)備好取代物聯(lián)網(wǎng)芯片中的閃存,，只需要添加兩層光罩，并支持10年的儲存時間以及1萬次讀寫周期,。將于今年問世的22納米嵌入式MRAM支持高于閃存的速度與更長的儲存期限,，鎖定汽車、手機,、高性能運算等設(shè)計,；該技術(shù)到目前為止號稱在測試芯片上皆具備高良率。
此外,，臺積電也提供小型化的微機電系統(tǒng)(MEMS)制程,，預(yù)期在今年秋天可提供整合10V與650V驅(qū)動器的硅基氮化鎵(GaN-on-silicon)制程，明年則可完成蜂巢式通訊功率放大器采用的100V D-HEMT制程驗證。
臺積電也具備車用16FFC制程的經(jīng)驗證EDA流程以及IP,，計劃今年底可提供7納米車用制程,，將于2019年第二級通過完整認(rèn)證。
中國市場與晶體管研發(fā)進展
除了宣布其位于中國南京的晶圓廠比預(yù)期提早數(shù)個月展開16納米FinFET制程生產(chǎn),，臺積電也透露了長期研發(fā)計劃,，以及在制程自動化方面采用機器學(xué)習(xí)的進度。
臺積電南京廠的第一階段建筑包括媲美Apple美國新總部但規(guī)模沒那么大,、外觀像宇宙飛船的員工餐廳以及管狀的辦公大樓,，以及月產(chǎn)量2萬片晶圓的廠房；而該廠區(qū)若完成所有建設(shè),，月產(chǎn)量最高可達到8萬片晶圓,。
tmsc18050801臺積電南京廠外觀設(shè)計圖
在此同時，臺積電的研究員在適合2納米以下制程節(jié)點應(yīng)用的下一代晶體管所需之堆棧納米線(nanowires),、納米片(nanosheets)設(shè)計上取得了進展,，號稱能支持比FinFET更佳的靜電(electrostatics)特性，而且可以藉由調(diào)整組件寬度達到功耗與性能的優(yōu)化,。
臺積電認(rèn)為鍺(germanium)是具備潛力的硅替代材料,，因為在相同速度下功耗較低；該公司已經(jīng)在與CMOS兼容之介電質(zhì)中利用該材料,，達到了創(chuàng)紀(jì)錄的低接觸電阻,。臺積電也正在研究各種2D后段材料，包括具備原子級光滑表面的二硫化鉬(molybdenum disulfide),。
此外臺積電也在實驗新方法來放大銅晶粒(copper grain),，以降低互連中的電阻；并正在研發(fā)選擇性介電質(zhì)上介電質(zhì)(selective dielectric-on-dielectric)沉積制程,，以實現(xiàn)銅通孔的(vias)的自動對準(zhǔn)(self-aligning),。
在內(nèi)存技術(shù)方面，22納米以下節(jié)點應(yīng)用的嵌入式MRAM技術(shù)是重點研發(fā)項目之一,，有可能具備替代性磁結(jié)構(gòu),；在40納米以下電阻式隨機存取內(nèi)存(ReRAM)部份，高密度的縱橫閂(crossbar)被視為具能源效益的方案,，特別是應(yīng)用于AI加速度芯片,。
在制程自動化部份，臺積電正采用機器學(xué)習(xí)技術(shù)系統(tǒng)化分析大量晶圓制程數(shù)據(jù),，并已經(jīng)針對特定工具與產(chǎn)品調(diào)整了制程參數(shù)(recipe),；此外該公司也針對制程變異進行追蹤與分類，以實現(xiàn)找出工具,、制程或材料中問題所在的自動化,。
臺積電擁有具備超過5萬種制程參數(shù)與上千萬制程管制圖(control charts)的數(shù)據(jù)庫,，不過該公司將如何把機器學(xué)習(xí)運用于自動化任務(wù)，以及將運用于何種產(chǎn)品在線,，目前并不清楚──毫無疑問，仍有某項工作正在進行中,，或許其中也有一些不為外人道的秘方,。