臺積電發布N4P工藝：增強版的5nm制程技術都有哪些不同？

電子產品世界

2021年10月29日 13:41

在2021開放創新平臺（OIP）生態系統論壇上，臺積電（TSMC）宣布推出N4P工藝，這是以目前5nm制程節點為基礎，以性能為重點的增強型工藝。采用N4P技術生產的首批產品預計于2022年下半年完成產品設計定案。

N4P制程工藝的推出強化了臺積電的先進邏輯半導體技術組合，其中的每項技術皆具備獨特的效能、功耗效率以及成本優勢。經過優化的N4P可提供高性能運算（HPC）與移動設備應用一個更強化且先進的技術平臺。

臺積電發布N4P工藝：增強版的5nm制程技術都有哪些不同？的圖1

N4P是繼N5、N4后，臺積電5nm家族的第三個主要強化版本。臺積電稱，N4P的性能較原先的N5增快11%，較N4增快6%。與N5相比，N4P的功耗效率提升22%，晶體管密度增加6%。

N4P工藝和此前N4工藝一樣，提供了更多的PPA（功率、性能、面積）優勢，但保持了相同的設計規則、設計基礎設施、SPICE模擬程序和IP。

此外，N4P通過減少掩模數量降低了工藝復雜性并縮短了晶圓周期時間。由于都是5nm技術平臺，臺積電稱N4P制程技術設計可將基于5nm制程的產品輕松移轉。憑借N5、N4、N3和最新的N4P，臺積電客戶在其產品的性能、面積、成本和功耗等多方面都可以有非常靈活的工藝選擇。

臺積電目前提供的5nm制程之后大規模制程的生產路線圖被認為如下：

iPhone13系列中的Apple A15Bionic工藝是由臺積電使用5nm （N5P）工藝制造的，先前曾有傳言稱，蘋果下一代處理器會首發臺積電3nm工藝。但現在由于技術限制，臺積電無法保證3nm的量產時間，產能問題也尚未解決。

如今，臺積電剛好在這個時候帶來了N4P工藝，按照蘋果一貫的行事風格A16很有可能使用更為穩妥N4P工藝制程，這意味著明年旗艦智能手機的下一代高通驍龍898芯片很可能也將使用4nm節點制造。同時，即將推出的聯發科技天璣2000SoC也據稱正在使用4nm工藝進行開發。

5nm是臺積電的又一個重要工藝節點，分為N5、N5P兩個版本。前者相比于N7 7nm工藝性能提升15％、功耗降低30％，后者在前者基礎上繼續性能提升7％、功耗降低15％。

臺積電5nm使用第五代FinFET晶體管技術，EUV極紫外光刻技術也擴展到10多個光刻層，整體晶體管密度提升84％ —— 7nm是每平方毫米9627萬個晶體管，5nm就將是每平方毫米1.771億個晶體管。

在制程越來越難以精進的今天，臺積電為自己設定了優化節點，以最大程度優化當前的量產工藝。例如，在N5和N7之間設定了一個N6制程，它是N7+的優化版本，使用EUV，并會使用比N7+更多一些的EUV層數。因為越先進的工藝越貴，而處于N5和N7之間的N6會為一些客戶提供一個價格較為容易接受的先進制程。

5nm已經是臺積電營收的重要來源。根據臺積電第三季度業績表現，5nm制程出貨占該公司2021年第三季晶圓銷售金額的18%；7nm制程出貨占全季晶圓銷售金額的34%。總體而言，先進制程（包含7nm及更先進制程）的營收達到全季晶圓銷售金額的52%。

臺積電今年投入的300億美元的資本預算中，80%將會投入到7nm及以下制程的芯片研發，并將擴大晶圓產能。除了在中國臺灣，臺積電還斥資120億美元在美國亞利桑那州建造一座5nm芯片工廠，首批美國雇傭的工程師在4月下旬已經抵達臺灣，接受5nm技術培訓。美國工廠建設已經動工，預計設備將在2022年下半年進廠。

總體而言，臺積電相信，其「大家的晶圓代工廠」(everyone's foundry) 戰略將使其在規模、市場份額和銷售額方面進一步增長。該公司還預計，未來將保持其技術領先地位，這對其增長至關重要。

N3 / N2

除了5nm，臺積電3nm也將采用FinFET晶體管結構。目前，3nm技術開發已步入正軌。臺積電總裁魏哲家表示，已經為 HPC（高性能計算）和智能手機應用程序開發了完整的平臺支持。 3nm制程的風險量產計劃于2021年進行，2022年下半年開始規模量產，“N3的客戶參與度很高。與N5相比，第一年N3的新流片量會更多。 ”

臺積電還推出了N3E作為3nm工藝系列的擴展，預計N3E的量產計劃在N3之后的一年進行。臺積電此前披露，N3 3nm工藝將在今年內風險性試產，2022年下半年大規模量產，2023年第一季度獲得實際收入，N3E 2024年量產，N2 2nm 2025年量產。

面對虎視眈眈的三星和英特爾，魏哲家在三季度業績會上回應稱，有信心臺積電會非常有競爭力，“在2025年，我們2nm的技術、密度和性能將是最具競爭力的。”他透露，臺積電2nm正在考慮使用GAA（環繞柵晶體管）技術，但并未披露具體計劃。

由于如今全球芯片荒的環境，臺積電承受了巨大的產能壓力，但是產能問題又不是那么容易解決的，建廠投產都需要具備充足的條件，并且，隨著科技的進步，整個行業對先進工藝芯片的需求會越來越高，所以，未來對于臺積電來說，不僅需要擴大產能，更需要研發新工藝，來緩解其他工藝的產能壓力了；只有這樣，才能維持住自身的競爭優勢。

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