台积电罗镇球：2022年量产3nm，全新汽车芯片工艺平台N5A明年Q3推出

2021年12月24日

12月22日，中国集成电路设计业2021年会暨无锡集成电路产业创新发展高峰论坛（ICCAD 2021）举行。在当天上午的主题演讲环节，台积电（南京）有限公司总经理罗镇球做了主题为《半导体产业的新时代》的主题演讲。

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在演讲当中，罗镇球介绍了台积电目前在先进制程、先进封装方面的布局，并宣布台积电将于明年三季度推出全新的针对汽车电子的N5A工艺平台，该平台将完全符合车规级标准。

摩尔定律继续有效，台积电2023年量产3nm

近年来，随着晶体管微缩变得越来越困难，联电、格芯相继放弃10nm以下的先进制程的研发，摩尔定律的头号践行者英特尔在半导体工艺制程的推进上也是持续放缓。业界出现了众多关于“摩尔定律放缓”或者“摩尔定律失效”的说法。

对此，罗镇球表示，“虽然有很多人说摩尔定律在减速或者是在逐渐消失，可是事实上，台积电正在用我们的工艺证明了摩尔定律仍在持续在往前推进。台积电的7nm是在2018年推出的，5nm是在2020年推出的，我们在2022年会如期推出3nm的工艺，而且我们2nm的工艺也在顺利研发。”

众所周知，对于工艺制程来说，主要是看三个方面的指标：性能、功耗和面积。从上图当中的数字，我们可以看到，台积电从7nm到5nm再到3nm，单位面积里面的晶体管数相比上一代都是会增长1.7到1.8倍，性能部分每代都会提升高超过10%。功耗的部分也和过去一样，同样性能情况下，功耗可以降低20%。

罗镇球强调：“即使在疫情期间，半导体技术发展依然是没有减缓，依旧依照着原来的步调持续前进。”

虽然近期外界有传闻称，台积电的3nm工艺开发遭遇困难，可能将导致3nm推出的时间延期。但是，罗镇球在会后接受芯智讯专访时表示，那些都只是传闻，我们会如期量产3nm。

根据台积电官方的资料显示，台积电的3nm相比上一代的5nm工艺，在逻辑密度上提升了1.7倍，性能提升了11%，同等性能下功耗可降低25-30%。

而对于未来如何实现晶体管的进一步微缩，罗镇球透露，这主要有两个方向：

1、改变晶体管的结构：目前三星已经决定在3nm采用全新的环绕栅极晶体管（GAA）结构，而台积电3nm仍然是鳍式场效晶体管（FinFET）结构。不过，台积电研发Nanosheet/Nanowire的晶体管结构（类似GAA）超过15年，已经达到非常扎实的性能。

2、改变晶体管的材料：比如可以采用二维材料来做晶体管，因为变薄了，电量控制也可以做的更好，而且性能可以更强。

“这两个方向，台积电会齐头并进。”罗镇球说到。

延续摩尔定律经济效益的另一方向：3D封装

众所周知，摩尔定律并不仅仅是“每隔18-24个月晶体管数量增加一倍”，而且获得这个增加一倍的晶体管的价格还要保持不变。但实际上，随着先进制程的持续推进，不论是芯片厂商还是消费者，所需要付出的成本近年来是在持续增长的。

那么如何来维持摩尔定律的经济效益呢？3D封装技术！

3D封装技术被认为是在保持整个芯片的系统级性能提升的同时，成本也能够得到很好控制的一大解决方案。它可以让单位体积下的晶体管数量成倍增长，且仅部分晶体管可能需要采用先进的工艺。

罗镇球表示，在3D封装方面，台积电已经布局了超过10年。目前，台积电已将先进封装相关技术整合为“3DFabric”平台，针对前段的整合芯片系统（SoIC），针对后段封装的整合型扇出（InFO）以及CoWoS系列家族。

“如果在一些芯片公司的发布会上，看到他的封装面积大于20mm×20mm，那么它大概率采用的是2.5D封装或者3D封装技术做出来的。未来大家会持续看到更多采用台积电3D封装技术的产品，不仅面积更小，性能也更强。”罗镇球说道。

集成电路技术发展趋势

对于集成电路技术的发展趋势，罗镇球认为，将会有三大方向：

1、晶圆制造的晶体管继续微缩；2、3D集成，就是把很多芯片堆叠起来，做一个立体式的晶圆结构；3、软件与硬件协同化设计，当客户在定义一个产品的时候，就让硬件跟软件研发人员一起思考这个问题，在做芯片设计的时候，将其切割成一个一个的区块（chiplet，芯粒），然后把各个区块的规格定义出来，看哪一个区块用什么工艺最合适，这样就可以高效的使用3D封装技术来以较低的成本实现符合预期的性能和功耗。

罗镇球透露：“目前台积电最新推出的芯片，单颗已经超过500亿个晶体管，如果看系统层面的3D IC，目前已经推出的最多的是拥有超过3000亿个晶体管。这是台积电目前已经做到的，未来还会持续推进。”

半导体制造的五大核心

在罗镇球看来，半导体技术有五大个核心的着重点：一是，性能是否能够继续提升，速度是不是能更快；二是，功耗能不能继续降低，更省电。特别是在可穿戴领域，尤为重要；三是，芯片面积能不能继续变小；四是，能不能提供一个完整、全面的工艺平台，从而能够做出一个完整而高效的产品；五是，产品的质量要非常稳定，做出来的产品才安全可靠。

“比如，手机里面除了有主芯片之外，还有射频芯片、电源管理芯片、图像传感器等等，还包括很多模拟芯片、射频芯片、嵌入式存储芯片，同时还要做人机交互界面的技术、光学技术、视觉技术、声学技术、移动追踪技术、生物信息识别技术，只有将这些芯片和技术集合在一起，才能做出一个有用的产品。所以完整、全面的工艺平台，对我们非常重要，不仅是数字芯片多少纳米制程，还要看模拟、射频、嵌入式存储等方面的工艺。我觉得各个平台的工艺要齐头并进，才能做出有效而好用的产品。”罗镇球进一步解释到。

最先进的汽车芯片工艺平台N5A

根据台湾媒体的报道数据显示，全球车用微控制器（MCU）市场近9成集中在全球顶尖的六大IDM厂商，其中外包生产的60%至70%的车用MCU由台积电代工。

因此，去年年底爆发车用芯片紧缺问题之后，今年年初，美国、欧盟等政府纷纷与台积电沟通，希望能够保障汽车芯片供应。随后，台积电也开始积极的增产车用MCU。此前台积电公布的数据显示，今年台积电的车用MCU的产量将较去年将提升60%。

需要指出的是，相对于其他消费类的芯片量级来说，车用半导体目前的市场规模还是相对比较小的，而且大部分主要被头部的IDM厂商所占据，所以台积电等代工厂拿到的车用芯片代工订单金额也是相对有限的。

根据数据显示，2020年全球车用半导体的总产值为374亿美元，其中台积电所贡献的营收仅占全球车用半导体4.07%。

但是，随着汽车电动化、网联化、智能化，汽车对于半导体需求呈现爆炸式增长态势。为此台积电也开始加大了在汽车电子领域的布局。

在会后采访环节，罗镇球也向芯智讯表示，汽车电子是台积电非常看好的一个市场。虽然目前整个汽车市场的增量已经比较有限，但是电动汽车对于传统燃油车的替代，这个是一个非常大的市场，而且每一辆电动汽车，随着智能化、联网化，乃至自动驾驶水平的提升，对于汽车半导体需求将是会呈现很多倍的增长，所以这个领域有着非常大的市场机会。

在此次的ICCAD 2021会上，罗镇球公布了台积电针对ADAS和智能数字驾驶舱的汽车芯片的5nm工艺平台“N5A”，这接续台积电在16nm、7nm之后的最先进的汽车电子工艺。