憑借CoWoS技術(shù)，臺(tái)積電已從高性能計(jì)算處理器供應(yīng)商贏得大量訂單

臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司，中文簡(jiǎn)稱：臺(tái)積電，英文簡(jiǎn)稱：tsmc，屬于半導(dǎo)體制造公司。成立于1987年，是全球第一家專業(yè)積體電路制造服務(wù)(晶圓代工foundry)企業(yè)，總部與主要工廠位于中國(guó)臺(tái)灣省的新竹市科學(xué)園區(qū)。2017年，領(lǐng)域占有率56%。2018年一季度，合并營(yíng)收85億美元，同比增長(zhǎng)6%，凈利潤(rùn)30億美元，同比增長(zhǎng)2.5%，毛利率為50.3%，凈利率為36.2%，其中10納米晶圓出貨量占據(jù)了總晶圓營(yíng)收的19%。截止2018年4月19日，美股TSM，市值2174億美元，靜態(tài)市盈率19。 [1-3] 2018年8月3日晚，臺(tái)積電傳出電腦系統(tǒng)遭到電腦病毒攻擊，造成竹科晶圓12廠、中科晶圓15廠、南科晶圓14廠等主要廠區(qū)的機(jī)臺(tái)停線等消息。臺(tái)積電證實(shí)，系遭到病毒攻擊，但并非外傳遭黑客攻擊。 [4] 8月4日，臺(tái)積電向外界通報(bào)已找到解決方案。

2020年7月16日，在臺(tái)積電二季度業(yè)績(jī)說明會(huì)上，發(fā)言人在會(huì)上透露，未計(jì)劃在9月14日之后為華為技術(shù)有限公司繼續(xù)供貨。而美國(guó)政府5月15日宣布的對(duì)華為限制新規(guī)于9月15日生效。2020年7月13日，臺(tái)媒鉅亨網(wǎng)曾報(bào)道，臺(tái)積電已向美國(guó)政府遞交意見書，希望能在華為禁令120天寬限期滿之后，可繼續(xù)為華為供貨。 [5] 2020年8月26日，臺(tái)積電(南京)有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球在2020世界半導(dǎo)體大會(huì)上表示，臺(tái)積電的5納米產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，3納米產(chǎn)品在2021年面世，并于2022年進(jìn)入大批量生產(chǎn)。 [6] 2021年10月26日，臺(tái)積電宣布推出N4P 制程工藝。

有國(guó)外媒體報(bào)道，臺(tái)積電正在按照原有計(jì)劃展開2nm工藝的研發(fā)和量產(chǎn)，據(jù)悉，臺(tái)積電2nm工廠的建設(shè)已經(jīng)提上日程。

2nm工廠的選址在臺(tái)中的中科園區(qū)，預(yù)計(jì)2027年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，是新竹園區(qū)之后的第二個(gè)2nm晶圓廠。

值得一提的是，臺(tái)積電的動(dòng)作遠(yuǎn)比想象中快，該公司不僅在為2nm工藝做打算，連1nm芯片相關(guān)事宜也做好了計(jì)劃。

1nm芯片要來了

12月29日快科技消息，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，臺(tái)中建廠的計(jì)劃為未來的1nm工藝預(yù)留了可能。

如果一切順利的話，臺(tái)積電將會(huì)在臺(tái)中建設(shè)1nm晶圓廠。由此可見，臺(tái)積電將眼光放在了2nm之后更高精度的芯片制造工藝上，在臺(tái)中的建廠耗資最多達(dá)到2300億人民幣。按照2021年年初該公司宣布的計(jì)劃，三年內(nèi)臺(tái)積電將支出1000億美元用于半導(dǎo)體產(chǎn)能擴(kuò)張。

雖然臺(tái)積電需要為緩解全球芯片市場(chǎng)供應(yīng)緊張狀況而擴(kuò)充成熟工藝產(chǎn)能，但該公司仍然會(huì)將先進(jìn)工藝的發(fā)展視為重點(diǎn)。

臺(tái)積電加速發(fā)展先進(jìn)工藝一方面，當(dāng)前全球芯片荒的確在持續(xù)蔓延，但可以肯定的是，這場(chǎng)缺芯潮不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。畢竟除了臺(tái)積電之外，包括中芯國(guó)際等專業(yè)晶圓代工廠也在加速擴(kuò)充產(chǎn)能。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的分析，新增產(chǎn)能預(yù)計(jì)會(huì)在2022年下半年或者2023年釋放。更有人認(rèn)為，未來全球半導(dǎo)體市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)芯片產(chǎn)能過剩的情況。

目前，臺(tái)積電想要在臺(tái)灣地區(qū)建立的1納米芯片工廠，其實(shí)還沒有開始動(dòng)工，僅僅還在初步規(guī)劃階段，目前這份建廠申請(qǐng)應(yīng)該還在臺(tái)中市政府辦公桌上沒有下達(dá)。當(dāng)然，我們也不是無從知曉更多的消息。

據(jù)說，臺(tái)積電1納米工廠的廠址可能有意要建在臺(tái)中市中科園區(qū)旁邊的高爾夫球場(chǎng)用地，不得不說，臺(tái)積電這個(gè)廠址的選擇其實(shí)還真是不錯(cuò)。眾所周知，高爾夫球場(chǎng)不僅面積大，而且內(nèi)部還比較空曠，完全沒有任何的大型建筑，到時(shí)候動(dòng)工建廠的時(shí)候能省去不少的麻煩。

近日，臺(tái)積電正式提出2nm以及后續(xù)1nm的工廠擴(kuò)建計(jì)畫。

預(yù)計(jì)總投資金額將高達(dá)8000億至1萬億新臺(tái)幣(約1840-2300億元)，占地近100萬平方米。

據(jù)聯(lián)合新聞網(wǎng)報(bào)道，位于中部科學(xué)園區(qū)(中科)的新工廠將占用周邊的一個(gè)高爾夫球場(chǎng)以及部分公有土地。

這也是繼竹科寶山之后，臺(tái)積電規(guī)劃的第二個(gè)2nm晶圓廠。

業(yè)界指出，相較于后續(xù)用地問題仍待解決的臺(tái)積電竹科寶山2nm工廠，臺(tái)中高爾夫球場(chǎng)土地所有權(quán)單純，一旦與興農(nóng)集團(tuán)完成協(xié)商，很有可能超過竹科寶山建廠進(jìn)度。

根據(jù)臺(tái)積電初步規(guī)劃，工廠預(yù)計(jì)在明年獲得用地許可并展開環(huán)境影響評(píng)估，最快于2023年動(dòng)工，預(yù)計(jì)可創(chuàng)造約8000個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。這兩年由于對(duì)芯片需求的劇增，臺(tái)積電產(chǎn)能擴(kuò)充與開發(fā)較往年可說是「五倍速」前進(jìn)。為了確保產(chǎn)能的提升，相關(guān)的支出也大舉拉高，尤其是在先進(jìn)制程方面。

目前臺(tái)積電在中科的制程涵蓋28nm及7nm，由于2nm及1nm制程的設(shè)備可以共用，未來將由1.8nm、1.4nm，逐步向1nm推進(jìn)。

業(yè)界推測(cè)，臺(tái)積電2nm最快可以在2024年試產(chǎn)，于2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，之后再進(jìn)入1nm，以及后續(xù)的「埃米」制程。

在工藝下降到5nm之前，F(xiàn)inFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)一直是很好的。

當(dāng)達(dá)到原子水平 (3nm是25個(gè)硅原子排成一行) 時(shí) ，F(xiàn)inFET開始出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，可能不再適用于更進(jìn)一步的工藝水平。

在2nm工藝上，臺(tái)積電并沒有直接使用三星規(guī)劃在3nm工藝上使用的GAAFET (環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，也就是納米線(nanowire)，而是將其拓展成為MBCFET(多橋通道場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，也就是納米片(nanosheet)。

GAAFET是一個(gè)周圍都是門的場(chǎng)效應(yīng)管。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，全面柵極場(chǎng)效應(yīng)管可以有兩個(gè)或四個(gè)有效柵極。

通過在柵極上施加電壓，你可以控制源極和漏極之間的電流，將其從0切換到1，并創(chuàng)建一個(gè)處理器的二進(jìn)制邏輯。

從GAAFET到MBCFET，從nm線到nm片，可以視為從二維到三維的躍進(jìn)，能夠大大改進(jìn)電路控制，降低漏電率。

2nm采用以環(huán)繞閘極(GAA)制程為基礎(chǔ)的MBCFET架構(gòu)，可以解決FinFET因制程微縮產(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。

今年5月，麻省理工學(xué)院(MIT)的孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)探索了一個(gè)新的方向：使用原子級(jí)薄材料鉍(Bi)代替硅，有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件上。

這項(xiàng)研究「Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors」已發(fā)表在Nature期刊上。

自2019年起，MIT、臺(tái)大和臺(tái)積電就展開了漫長(zhǎng)的跨國(guó)合作。

MIT團(tuán)隊(duì)最先發(fā)現(xiàn)，在「二維材料」上搭配「半金屬鉍(Bi)」的電極，能大幅降低電阻并提高傳輸電流。

之后，臺(tái)積電技術(shù)研究部門則將「鉍(Bi)沉積制程」進(jìn)行優(yōu)化。

最后，臺(tái)大團(tuán)隊(duì)運(yùn)用「氦離子束微影系統(tǒng)」將元件通道成功縮小至nm尺寸，終于獲得突破性的研究成果。

從外媒的報(bào)道來看，臺(tái)積電有意在新加坡建設(shè)的晶圓廠，是計(jì)劃采用7nm-28nm制程工藝，為相關(guān)的客戶代工晶圓，這一部分工藝所代工的芯片，廣泛應(yīng)用于汽車及其他設(shè)備，在智能手機(jī)上也有使用。

不過，知曉談判事宜的消息人士，并未透露臺(tái)積電建廠的計(jì)劃投資額，但他們透露，臺(tái)積電與新加坡方面的談判，涉及提供資金支持。

在當(dāng)前全球多國(guó)為芯片制造商建廠提供資金支持的大背景下，新加坡大概率會(huì)為臺(tái)積電建廠提供資金支持。另外，消息人士也透露，新加坡方面已表示，確保關(guān)鍵零部件的供應(yīng)是他們需要著力解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

臺(tái)積電如果最終確定在新加坡建設(shè)晶圓廠，就將成為又一家在新加坡建設(shè)晶圓廠的廠商。在新加坡有晶圓廠的格芯，去年6月份就已宣布將在新加坡園區(qū)建設(shè)新晶圓廠，投資超過40億美元。今年2月份，也有報(bào)道稱聯(lián)華電子計(jì)劃在新加坡新建一座晶圓廠，毗鄰他們?cè)谛录悠碌?2i廠，新工廠將被命名為12i P3廠。

臺(tái)積電旗下目前在運(yùn)營(yíng)的晶圓廠共有13座，包括6座12英寸晶圓廠、6座8英寸晶圓廠和1座6英寸晶圓廠，除了在美國(guó)的晶圓十一廠，余下12座均在亞洲。臺(tái)積電目前在美國(guó)也有一座12英寸晶圓廠在建設(shè)中，去年宣布與索尼等在日本建設(shè)的晶圓廠，也已在上月動(dòng)工建設(shè)。

業(yè)內(nèi)人士透露，臺(tái)積電已確定其最新CoWoS工藝變體CoWoS-L是2.5D封裝4倍全光罩尺寸的唯一解決方案，正與HPC芯片客戶合作，共同應(yīng)對(duì)基板端的挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)將于2023-2024年開始商業(yè)生產(chǎn)。

據(jù)《電子時(shí)報(bào)》報(bào)道，CoWoS-L是臺(tái)積電專門針對(duì)人工智能訓(xùn)練芯片設(shè)計(jì)的，據(jù)其介紹，該工藝結(jié)合了臺(tái)積電CoWoS-S和信息技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過中介層、用于芯片間互連的本地硅互連(LSI)芯片以及用于電源和信號(hào)傳輸?shù)腞DL層，提供了最靈活的集成。

消息人士稱，臺(tái)積電的CoWoS技術(shù)是專門為HPC設(shè)備應(yīng)用設(shè)計(jì)的2.5D晶圓級(jí)多芯片封裝技術(shù)，已經(jīng)投入生產(chǎn)近10年。憑借CoWoS，臺(tái)積電已經(jīng)從高性能計(jì)算處理器供應(yīng)商，如AMD贏得了大量訂單。

臺(tái)積電傳統(tǒng)的帶硅中介層的CoWoS技術(shù)(CoWoS-S)已進(jìn)入第五代。CoWoS-S的硅中介層可以達(dá)到2倍以上全光罩尺寸(1700mm2)，將領(lǐng)先的SoC芯片與四個(gè)以上的HBM2/HBM2E堆棧集成在一起。

在臺(tái)積電為第71屆IEEE電子元器件和技術(shù)會(huì)議(ECTC)提交的一篇論文中，該公司介紹了采用一種新穎的雙路光刻拼接方法的CoWoS-S5技術(shù)，3倍全光罩尺寸(2500mm2)使得硅中介層的可容納1200mm2的多個(gè)邏輯芯片以及八個(gè)HBM堆棧。除了硅中介層的尺寸增加外，還加入了新的功能，與之前的CoWoS-S組合相比，進(jìn)一步增強(qiáng)了CoWoS-S5的電氣和熱性能。

臺(tái)積電還提供CoWoS-R，即一種利用其InFO技術(shù)的CoWoS工藝變體，以利用RDL層實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連，特別是在HBM和SoC異構(gòu)集成方面。RDL層由聚合物和微量銅組成，具有相對(duì)的機(jī)械柔性。

消息人士稱，盡管最近大眾市場(chǎng)消費(fèi)電子設(shè)備的需求越來越不確定，但HPC芯片的需求仍有希望。臺(tái)積電增強(qiáng)型CoWoS-S封裝以及-R和-L工藝變體將能夠滿足客戶對(duì)其高性能計(jì)算產(chǎn)品的不同需求。2022年第一季度，HPC芯片的訂單超過智能手機(jī)，成為臺(tái)積電最大的收入貢獻(xiàn)者，將推動(dòng)其今年純代工收入增長(zhǎng)。