台积电技术论坛揭露九大趋势：3nm、晶体管新材料、EUV ...

台积电在今日举行的 2021 年技术论坛中，一如往年的高透明度揭露公司未来发展策略的多方信息。《问芯Voice》也整理九大面向，全方位解读台积电包括 3nm 等高端制程进展、特殊制程、产能规划、新晶体管研究成果、新材料发现、全球生产基地布局，以及 PMIC /AR / VR 显示技术、嵌入式新式存储器的应用进度。

台积电形容，成立 33 年来的晶圆总生产量超过一亿片（约当12寸），堆叠起来的高度相当于 12 座珠穆朗玛峰。

同时，台积电也再度强调，未来 3 年 1000 亿美元的投资金额，绝对符合客户需求，过去台积电是稳健扩产，现在要以 5 倍的速度来建厂扩产。

跨出亚洲在美国设厂、以5倍速度建厂.......台积电在 2018 年创办人张忠谋退休交棒给董事长刘德音和总裁魏哲家后，开始有些不一样了。当然，这三年全世界的面貌也和我们过去所熟知的世界，也有了巨大的改变。

无论未来世界怎么运行和改变，可以确定的是，半导体对这个世界越来越重要。

魏哲家在论坛中指出，这一年来全世界的数位转型以惊人速度进行，无论是办公、教育、娱乐都需要大量高速运算，尤其是疫情更让人体认到半导体对全球的重要性。

“疫情也暴露产业的脆弱性，因此在疫情后，更要化被动为主动，眼光长远才能抓住后疫情时代的商机。”魏哲家这一段话，或许能解释为什么台积电会狂砸 3 年 1000 亿美元来扩产。

魏哲家用了两个在科学界的例子，展现“人机合作”是如何改变世界运行。

过去的伊波拉病毒疫苗从第一阶段试验到批准，经过了 5 年才在 2019 年问世，算是进展超快的疫苗。但这次多数的新冠疫苗不到一年就完成开发到批准上市，除了是科学家、研究人员的努力，还有超级电脑的运算功能进度，让人类的智慧和努力与电脑24小时运转，才有这样的成果。

他又举例，去年AI协助生物科学解决长达 50 年的谜题：蛋白质折叠。这可以预测蛋白质如何从氨基酸的线型链撷取成 3D 形状。过去数十年来人类试图用实验技术破解，但都未成功，而靠大数据运算、机器学习算法等，都为陆续为这些巨大难题带来新的契机，发现新药的速度也变快，这就是人机结合AI的典范。

魏哲家进一步指出，不单是科学研发，个人和企业用户也高度仰赖高速运算来处理海量数据，从边缘到云端，从游戏主机到资料中心服务器，都对高速运算得需求出现爆炸成长。

然而，享受的高速运算 HPC 带来技术革新的同时，要付出什么代价做交换？

魏哲家指出，大家在享受 HPC 算力带来的速度时却忽略另一个巨大问题：耗能效率。

当数十亿个装置互相连结产生的数据需求，极可能造成耗能的激增。根据统计，光是资料中心就占了全球用电量的 1%，相当于 2000 亿度电，这数字超越某些国家一年的用电量。

也有悲观者提出，摩尔定律即将失效，因为制程技术在能效方面的进步，无法跟上全世界对数据与算力的需求，而半导体产业是否能提供运算与耗能的持续优化，将对未来产业的成长性产生决定性的影响。

很多人问：台积电有能力接受这个挑战吗？魏哲家很肯定的回答：Yes,we can.《问芯Voice》也汇集技术论坛上的九大技术和产业趋势重点，为读者作详尽分析。

重点一，2023 年 5nm 将是 2020 年产能 4 倍，开始进入车用设计生态链。

5nm 是 7nm 之后的另一个完整制程节点，且良率改善速度也创下新纪录。自 2020 年量产以来，台积电的 5nm 出货超过 50 万片。

5nm 目前在台南 Fab 18 厂量产，其应用主要涵盖手机、5G、AI、网络连接装置和 HPC 等。

再者，4nm 是 5nm 的进化版，PPA 获得改善，同时也减少光罩层数，让客户将设计从 5nm 转到 4nm 更简易。4nm 制程预计在今年第三季进入试产。

整体来看，台积电 5nm（包括4nm）预计 2023 年相较 2020 年的产整会大幅成长四倍。

同时，台积电也宣布 5nm 拓展至车用领域，目前有 5nm 的 AI 功能先进驾驶辅助系统 ADAS 和数位驾驶介面解决方案。且 5nm 车用设计生态系统已经准备就绪，完成车用级认证。

谈到 5nm，当然要讲一下美国亚利桑那州晶圆厂的进度，该厂房为台积电Fab 21 厂，位于凤凰城机场的北边，预计 2024 年开始量产 5nm 制程，初期规划单月 2 万片产能。

同时，台积电也首度曝光美国亚利桑那州晶圆厂的外观图。

重点二：EUV 量产关键：EUV Wafer Move 比机台数量更重要。

在 5nm 制程中有一个关键，就是使用极紫外光 EUV 机台的数量大幅提升。

台积电营运资深副总秦永沛指出，台积电的 EUV 设备在 2020 年装置的数量占全球 50%。不过，另一个数据 EUV Wafer Move 或许更有意义，因为这个数字越高，也代表着越多学习和经验累积，更是EUV量产是否成熟的重要指标之一。而台积电 2020 年的 EUV Wafer Move 比例却高达 65%，比装置比率还要高，显见其量产的成熟度极高。

秦永沛进一步分析，EUV 导入量产过程中面临许多挑战，其中之一是 EUV 光掩膜制作。

台积电自己少数自己有光掩膜厂的半导体厂，日前已成功制造光掩膜薄膜，并拥有高穿透率和稳定品质，预计 2021 年光掩膜薄膜的产能将是 2019 年的 20 倍，以满足大量产的需求。

重点三：3nm 上市量产第一年就会达到 5nm 的两倍以上。

台积电的 3nm 制程架构持续使用 FinFET 晶体管。与 5nm 相较，3nm 可提升效能 15%、功耗降低 30%、逻辑密度提高 70%，目前规划 3nm 制程2022 年下半在台南 Fab 18 厂进入量产。再者，台积电也预计 3nm 量产第一年的客户产品数量会是 5nm 的两倍以上。

重点四：7nm 家族拿下 2021 年 IEEE 电子电机协会企业创新奖

台积电今年 7nm 系列的产能将比 2018 年的 7nm 产能大幅成长四倍。

台积电在 2018 年开始量产 7nm，一路发展至 2020 年，整个 7nm 家族有数十家客户数百种产品生产 10 亿颗芯片。

台积电在 7nm 制程家族上屡传捷报，2021 年也因为成功开发 7nm，协助 IC 创新而荣获 2021 年 IEEE 电子电机协会企业创新奖，象征在 7nm 制程世代上，台积电与技术合作伙伴、客户之间紧密合作的成果。

重点五：今年底 6nm 将达到 7nm 家族总产能的 50%。

6nm 是基于 7nm 制程的基础打造，逻辑密度提称 18%。预计到 2021 年第四季，6nm 将可达到 50% 的 7nm 总产能。

重点六：显示器驱动芯片、电源管理芯片、图像感测器、MCU、eNVM 五大技术趋势分析。

特殊技术业务开发资深处长刘信生表示，特殊制程和高端制程是互补的、共生的。

2018 年特殊制程产能占整体产能 45%，今年将成长至 60% 比重。整体来看，今年特殊制程总产能会比去年成长 12%。

对物联网和边缘 AI 而言，能耗和高效运算是同等重要，所以台积电特别在每一个制程世代上都设计超低功耗 Ultra-Low Power 制程。

在 12e 制程上，也设计出业界最低功耗的 SRAM，其 standby leakage 只有 28 HPC ULL 制程的 8 分之 1，而 retention leakage 只有 28HPC ULL 制程的 5 分之 1。

刘信生提出五大类特殊制程技术：微处理器 MCU、eNVM、电源管理芯片 PMIC、图像感测器 CMOS CIS、Display 驱动芯片。

嵌入式存储器 eNVM：28nm 的 eFlash 是台积电最新的嵌入式存储器 embedded flash 节点，同时也是最后一个。往下微缩都会会用新式存储器如 MRAM 和 RRAM。

目前台积电的 22nm 嵌入式 MRAM 已经量产，40nm RRAM和 20nmRRAM 也准备量产。

电源管理芯片 PMIC：制程技术从 8 寸 0.18 BCD 到 12 寸的 0.13 BCD、90 BCD、40 BCD 制程，客户根据不同需求作选择。

图像感测器 CMOS CIS：相机已经成为生活必需品，其技术也是日新月异。台积电已做出超过 150ＭPixel 的产品，是 10 年前的 30 倍，从 Pixel size 来看已经做到 0.6um，是 10 年前 3 分之 1。未来新的照相机会与 AI 结合，需要更多的逻辑芯片。

再者，CIS 技术包含三部分：Sensor、Stacking、ISP。

在 Sensor 方面，台积电运用逻辑能力缩小 pixel size，现在已经用到 28nm的 process module。另外，在 wafer stack 也做到 pixel- level interconnection。在 ISP 方面，目前提供客制化的制程，最新已经用到 12nm。

Display 技术：与照相机类似都是往小 pixel 和高分辨率度、低功耗等趋势发展。在 OLED Display 上，台积电目前有 40HV 和 28HV两种技术。

最新的 Display 技术发展趋势是聚焦在 AR/VR 上。AR/VR 需要 near-eyes 技术，一般需要把背板从 TFT 改成 silicon base，可以缩小 pixel size 约 5～10倍 ，也可将分辨率提升 5 ~ 10 倍，可以让功耗更低、减轻重量，缩短延迟等。目前台积电提供80 ~ 28nm 选择。

重点七：3D IC 时代来临，2022 年 3DFabric 专用晶圆厂正式启用。

台积电提出的3DFabric概念，涵盖所有旗下的 3D IC 技术包括Cowos、InFO、SoIC。

台积电业务开发资深副总张晓强也提出以下新的技术：

InFO_B 封装技术：这是 InFO 系列的新技术，基于 InFO_PoP 多年量产经验下，可以有效增加包装的芯片尺寸，而这对手机产品非常重要。大家也知道手机板子空间是寸土寸金，InFO_B 为客户增加弹性，可以选择堆叠 DRAM 的厂商和时间点，帮助客户更有效管理生产过程。

InFO_oS 封装技术：这是针对 HPC 应用的封装技术，利用 InFO 把不同逻辑芯片整合起来，让 InFO 能力从一个 reticle 增进到 2.5 个 reticle size，能够在一个模块上整合更多更大的芯片，这对未来 HPC 应用有非常积极的作用。

另外像是 InFO，台积电量产进入第十年，而 InFO 今年可以支持 3 个 reticle size 的 silicon interposers，容纳 8 个 HBM 和 DRAM 堆叠，对未来 HPC 应用的影响也是非常重要。

除了传统 silicon base的interposer，台积电也在开发更具成本效益的 Cowos R/L 技术，满足不同需要。

3D Chip Stacking 方面，SoIC 是 3DFabric 旗下最新成员，也是业界第一个高密度小芯片的堆叠技术，已经开发 chip-on-wafer、wafer-on-wafer 两种不同技术，能够堆叠异构芯片和同构新片一起，大幅提升系统效能，缩小产品尺寸。

台积电在 3D stacking 进度是预计今年年底会完成 7nm 制程技术验证，而 5nm 制程 Chip-on-Wafer 验证在 2022 年完成。同时，2022 年也会有 3DFabric 的专用晶圆厂。

重点八：台积电在新材料与新晶体管研发上有重要进展。

张晓强指出，回顾历史，晶体管是半导体技术的核心，是二十世纪最伟大发明之一。晶体管架构不断演变下，已从二维架构到今天 3D FinFET，而未来半导体架构也会持续创新，例如 Nanosheet/Nanowire、GAA 进一步提升晶体管效能。

张晓强更近一步分析，在材料革新上，2D 材料包括二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)等等新材料，都带给半导体晶体管更多进步。

另外，从传导的角度，Cabon Nanotube 也是一种新的晶体管技术，对未来低功耗运算有很大潜力。

张晓强指出，在 Nanosheet 架构开发上，台积电已经有超过15年的研发经验，通过实现GAA通道可进一步提高晶体管的效能和能耗表现。另外，Nanosheet 结构在低压方面的表现很卓越，台积电已经成功生产 0.46v 低电压 SRAM。

由于 Nanosheet 当中每个 sheet 的空间很有限，因此要能提供多种不同 vt 晶体管是很大挑战，通过采用创新材料技术，目前已经开发出多达 12 种 vt 制程。

在新材料进展方面，台积电团队已经成功展现业界第一个带单层二硫化钼(MoS2)晶体管。

另一个重要的 2D material 研发成果是长出晶圆级的高质量 hBN(hexagonal Boron Nitride)，利用低温技术成功转移原子级厚度的超薄单晶材料移，打造未来晶体管，这成果会为新型 2D 半导体奠定重要基础。

重点九：复杂的 5G RF 技术带来巨大挑战，台积电提出 N6RF 制程对应。

RF 技术在 5G 时代变得很重要，因为复杂的 5G 网络环境为 RF 设计带来巨大挑战，首先是 formfactor。为了满足 5G 要求，每一支手机都置入更多元件，内部空间会变得越来越拥挤，而 5G 手机要同时支援 sub-6 GHz 和 mmWave，RF 系统整合成为必然趋势，加上元件功能更强，且电池电力也会是新挑战。

因应上述 5G 手机和装置的机会与挑战，台积电提出 5G RF 的最新技术：N6RF。

台积电指出，N6RF 是 5G 时代必须有的 RF 技术，6nm 本身是 7nm 的加强版，建立于台积电逻辑技术领先基础上，且 6nm PPA 也是专为 5G RF 需求所开发。