独家直击｜台积电中国场技术论坛：南京28nm扩产进度、2nm新材料、五大特色工艺（信息量史上最大）

因为疫情之故，台积电一年一度的中国场技术论坛维持线上举行，一如往昔由台积电总裁魏哲家进行开场。他指出，全球半导体产业产值将在 2030 年达到一万亿美元，高速发展的同时也带来很多挑战，像是地缘政治之故，供应链不约而同提高库存且进行在地化生产。另外，全球客户对成熟制程产能需求强劲，但兴建成熟制程产能的高成本问题，唯有大家齐心合作才能克服挑战。

台积电中国业务负责人兼南京厂总经理罗镇球表示，因为科技进步和半导体技术不断演进，我们真实的生活场景比十多年前想像出来的科幻电影更精彩，例如 2011 年上映的 “碟中谍4” 男主角配戴的面部识别隐形眼镜已落实于现实。

因为疫情之故，远程工作教学、线上娱乐、远程医疗成为生活的新常态。全球远程医疗的整体使用率甚至成长 38 倍，5G 网络和低迟延技术让海量医疗有了聚合应用。

进入 2022 年台积电中国区线上技术论坛现场，一如继往由业务开发资深副总张晓强介绍先进制程技术进展、特殊技术业务开发处资深处长刘信生讲解成熟制程的未来，以及营运组织资深副总秦永沛说明台积电制造产能规划环节。

《问芯Voice》独家直击并整理以下几个板块：7nm、5nm、3nm、2nm先进制程进度、生产基地和产能规划; 特色工艺包括电源管理芯片PMIC、CIS图像感测器、物联网IoT芯片、MCU必备技术embedded NVM、面板显示器驱动芯片技术等技术蓝图规划。

台积电产能规划：

2018～2022年，台积电先进制程产能的年复合成长率为70%。

2022年5nm产能会是2020年(量产首年)四倍以上。

除了持续朝先进制成技术迈进，台积电也会不断扩充特色工艺产能来满足客户的需求。2022年特色工艺产能的资本支出将会是过去三年平均值的3.5倍。

特色工艺产能占台积电整体成熟制程产能的比重会持续成长，2018年占比约45%，预计2022年会来到63%。若是与2021年相比，2022年12寸晶圆的特色工艺产能会成长14%。

台积电EUV机台总数量占全球EUV机台的55%。为满足客户对于高速运算HPC、AI、5G产品应用的庞大需求，每个EUV机台的每日晶圆产能不断在成长中。

在新晶圆厂规划方面，2017～2019年期间，台积电平均每年兴建两个新厂; 2020～2023年期间，每年兴建六个新厂。除了扩建新晶圆厂，台积电也持续扩建新的封装厂，并扩大全球生产据点。算一算从去年至今，台积电开始兴建的新晶圆厂有七个：台湾三个晶圆厂、海外两个晶圆厂，以及台湾两个先进封装新厂。

3nm制程生产基地：设立于台南Fab 18第五、六、七、八、九期; 2nm制程生产基地已经确定在新竹Fab 20。

台积电也在台湾扩增7nm和28nm产能，地点设在高雄Fab 22，预计2022年下半动工，预计2024年量产。先进封装方面，也扩增竹南厂。

海外晶圆厂方面：在建中的南京28nm制程新12寸晶圆厂预计今年第四季开始量产;美国5nm制程新厂目前建设中，预计2024年量产;日本16nm/28nm晶圆厂属于特色工艺技术，预计2024年开始量产。

3D Fabric制造方面，台积电的3D Fabric系统整合解决方案涵盖前段硅堆叠TSMC SoIC和后段先进封装技术包括InFO和CoWoS。台积电在持续投资3D Fabric之下，预计2022年开始硅堆叠生产，2026年产能达到2022年的20倍以上;先进封装产能方面，2022年产能会是2018年的三倍以上。

台积电的SoIC技术提供业界最佳的Interconnect密度，搭配InFO或CoWoS制程协助客户提升产品效能，SoIC技术预计今年下半年开始量产，2023年全系列整合Fabric厂会进入量产。

整个来看，台积电是在2018年进入7nm量产，2020年进入5nm量产，今年下半年进入3nm时代，2nm技术预计在2025年开始生产。

7nm制程技术：从2018年量产至今进入第五年，产品应用面。从行动装置、CPU、GPU再扩展到AI、网通、RF、消费电子、车用电子，预计到今年底，7nm制程累积的客户投片数量超过400个。

5nm＋4nm制程技术：因应强劲的客户需求，台积电不断在扩大5nm＋4nm产能，且产品应用也开始多样化，从mobile、CPU、GPU扩展到AI和网通，未来有更多样的产品应用，预计到2022年底，5nm＋4nm制程累积的客户投片数量超过150个。

N4X制程技术：预计2023年量产，和N5相比效能提升15%、芯片密度提升6%，同时保持设计兼容性和完整的IP重复使用。

在良率方面，台积电N5量产良率目前比N7还要好，而N4良率也会达到N5标准。

N3制程技术：下半年即将量产的3nm，等到N3量产后会再推出N3E作为N3家族的延伸，提供更好的速度和功耗。3nm制程相较5nm制成，在相同的功耗下，N3E效能增加20%，相同速度下，功耗降低35%，从Mobile到HPC应用都会完整提供。

N3E制程与N5相比，速度增加11%，功耗降低30%，芯片面积36%，提升产品在新工艺上优势。

张晓强也介绍了3nm技术上的创新，以往产品设计受限于芯片空间，设计工程师常常被迫要在芯片速度、功耗、面积之间做出选择，等到台积电的N3E推出后，这将不再是烦恼。

值得注意的是，台积电2022年的技术论坛中首次将“TSMC FinFlex”设计架构介绍出场。TSMC FINFLEX技术可以提供多样化的标准元件选择：3-2鳍结构支援超高性能、2-1鳍结构支援最佳功耗效率与晶体管密度、2-2鳍结构则是支援平衡两者的性能，精准协助客户完成符合其需求的系统单芯片设计，各功能区块采用最优化的鳍结构，支援所需的性能、功耗与面积，同时整合至相同的芯片上。

这样设计下，可以把design library做到极致优化，使得N3E可以完美的结合工艺制程、电路设计，提供更大的产品设计空间。

N2制程技术：将采用崭新的晶体管架构Nanosheet，N2和N3E相比，在同样功耗下速度增加15%，或是相同速度下，功耗会降低30%，同时芯片密度也将明显进度。N2预计在2025年开始量产。

N2的创新功能：在高效能运算平台上N2将提供晶圆背面的电源网络（backside Power），以全力支持小芯片（Chiplet）整合，这些创新可以帮客户提升产品整体性能，特别是速度和功耗。整体来看，N2会更好满足未来半导体产品创新应用的需求。

晶体管架构和料的不断创新演变：十多年前是2D平面planner架构演进到今天的3D FinFET，现在N2将进入新的Nanosheet架构。在Nanosheet之后，晶体管架构会继续演变创新，除了CFET是把N FET和P FET叠起来，能大幅提高晶体管的密度。在材料上也有很多革新，包括2D半导体材料，以及1D Carbon nanotube(CNT)等等，这些新材料都会进一步推动半导体晶体管的进步。

半导体新材料的研发：在高速芯片设计中，低电阻和低电容的金属来往变得越来越重要，台积电正在研发一种新的制程工艺，用mental-RIE，这个新技术可以在导线之间形成真空（airgap），降低20~30%导线的有效电容。在导线方面，近几十年一直以铜为主导材料，当铜导线的厚度小于电子，电阻值会急剧增加，这是未来半导体技术演进的障碍。目前，台积电正在研究一种新的2D材料，有机会代替铜作为导线。由于2D材料具备独特的传导性能，因此电阻不会受到导线变薄的影响，从而保证芯片的高速运算性能。

在TSMC 3DFabric方面，2D InFO平台能够以小封装尺寸实现不同小芯片的整合，以及提升运算效能; 2.5D CoWoS平台适合整合先进逻辑芯片与高带宽内存HBM，满足高效能运算需求例如AI、机器学习。

台积电SoIC采用chip-on-wafer技术，可以实现高密度的芯片堆叠。SoIC、InFO、CoWoS可以互相搭配为提供不同的系统整合方式。

CoWoS技术平台：可以把不同先进逻辑芯片和高带宽存储HBM紧密整合起来。CoWoS起始于silicon interposer，作为联结，针对不同产品开发了不同的interposer技术，包括organic interposer（CoWoS-R和CoWoS-L），把organic interposer和嵌入式interposer/interconnect整合起来达成更加系统优化。再者，高密的的电容也被嵌入到interposer，来提高芯片整体运算效力。

3D SoIC芯片堆叠发展计划：是采用chip-on-wafer或wafer-on-wafer堆叠技术，把3D芯片堆叠技术和晶体管堆叠技术完美结合，极大加速未来系统运算能力。台积电举例与AMD合作的新一代的数据中心CPU处理器EPYC，充分展现SoIC 3D技术的重要性。在透过SoIC技术，AMD在CPU芯片上堆叠了Cache、Memory、SRAM，在许多应用上都实现刷新纪录表现。

关于台积电在特殊技术制程上的进展，特殊技术业务开发处资深处长刘信生在技术论坛中指出，逻辑技术对于增强运算能力至关重要，特殊制程技术通常是用来连结现实世界和数位世界的关键，包括RF、connectivity、CIS、MEMS、电源管理芯片PMIC等，为支持整个半导体行业发展，台积电提供广泛的技术组合，从先进逻辑、特殊制程到3D IC技术等。

刘信生用了两个例子来说明特殊制程技术的快速成长。一是智能手机快是无所不能，我们更希望能永远不断电，无论从感测、声音、显示、电源都需要更多的特殊制程。另一个是智能汽车Smart Car，就像是装了轮子的超级电脑，一辆汽车有数百个半导体芯片，包括发动机、混合动力模式、安全气囊、娱乐、网络连结等。

为了因应客户对于特殊制程工艺需求增加，台积电也持续投资特殊制程技术，从2016到2021年投资金额的年复合成长率超过40%。

对于半导体特殊制程技术而言，低工作电压Low Vdd和低漏电Low leakage两者非常重要。

物联网IoT技术：首要任务是提供超低功耗的解决方案，优化IoT和AI的效能和功耗。最新的N12e工艺适用于边缘计算芯片，同时也在N12e工艺上开发Ultra Low leakage SRAM，漏电流低于0.5pA/cell。再者，下一代N6e工艺正在开发中。

5G和无线网路的N6RF制程制程技术：在各种影片传播上，WIFI 7变成非常重要，比WIFI 6快上三倍。但若采用和WIFI 6相同的工艺，WIFI 7的芯片面积会比WIFI 6大2.25，功耗是WIFI 6是2.1倍。所以智能手机、智能穿戴装置、AR/VR需要功耗和面积更好的制程技术，才能反映出WIFI 7传输速度带来的优势。台积电因应推出N6RF制程，相比N16制程，可以将WIFI 7芯片的功耗降低49%，面积缩减55%。

embedded NVM：这是MCU的基本技术和应用，应用于智能手机、智能可携式装置、车用电子等。同时也开发新的embedded memory技术例如RRAM、MRAM等。

RRAM：一种具有成本效应的NVM解决方案，可完全兼容于40nm、28nm、22nm、12nm制程。40nm RRAM已经在今年第一季开始生产，已有多个客户投片。22nm RRAM完成验证，并准备导入量产。台积电目前正在开发下一代的12nm RRAM，预计2023年底前准备就绪。

MRAM：适合高性能和高稳定性到解决方案，像是工业、车用MCU。22nm MRAM在2020年第四季开始生产物联网IoT产品，认证也达到车用Grade 1。16nm MRAM预计2022年消费性电子使用，预计2023年通过车用Grade 1认证。

电源管理芯片PMIC：各应用对于PMIC需求越来越广，例如无线充电、汽车智慧LED照明，RF PA功率封包追踪（envelope tracking）等应用，为满足越来越多的需求浮现，台积电也将PMIC的晶圆生产升级到12寸BCD制程。

在电源管理芯片PMIC方面，长年受欢迎的技术是8寸的0.18 BCD制程。此外，台积电提供0.13微米8寸到22nm的12寸BCD制程。下一步是N90BCD，预计2022年下半年开始量产，目前PDK 1.0版已发布，基础IP已经准备就绪。

图像传感器CIS：CIS的高速发展得益于智能手机问世，下一波成长动能会是车用电子和AR/VR，而Smart Sensing的关键是高品质镜头、多感测器的融合、AI影像，同时也需要出色的pixel技术、低功耗处理技术，以提供系统上的完整方案。

台积电强调，其CIS技术专注于system level，涵盖CIS pixel、ISP和用于芯片整合的堆叠技术。下一步要进入Ｍulti-Ｗafer Stacking，让客户有更多选择来整合CIS芯片。

在CIS传感器方面，目前已经可以采用台积电最先进的28nm pixel技术，底部的ISP已经扩展到N12 FFC。再者，新的影像感测需要整合新的演算法，台积电也开发新的堆叠技术，可以整合Sensor、ISP在系统层面上提供最高效能。

显示器Disply技术方面：5G和AI应用追求高分辨率和低功耗，越来越多5G智能手机采用OLED智慧面板。下一代OLED面板驱动芯片要更多逻辑和SRAM，因此走上28nm制程是必然之路。