台积电宣布五项3nm工艺技术，增加FinFlex设计灵活性

六月中旬，台积电启动了2022年台积电技术研讨会，按照传统，该公司在会上分享其加工技术路线图以及未来的扩张计划。台积电在会上宣布的关键产品之一是其N3 (3nm级)和N2 (2nm级)系列的前沿节点，这些节点将在未来几年用于制造先进的CPU、GPU和SoC。

N3：未来三年的五个节点

随着制造工艺变得越来越复杂，他们的寻径、研究和开发时间也会延长，所以我们无法再看到台积电和其他代工企业每两年就会出现一个全新的节点。对于N3，台积电的新节点引入周期将会延长到2.5年左右，而对于N2，将会延长到3年左右。

这意味着台积电将需要提供增强版的N3，以满足其客户的需求，这些客户仍在寻找单位特性能的提升以及年度晶体管密度的提升。台积电及其客户需要多个版本N3的另一个原因是，该公司的N2芯片依赖于使用纳米片实现的全新栅极全方位场效应晶体管(GAA FET)，这将需要更高的成本、新的设计方法、新的IP和许多其他变化。虽然尖端芯片的开发商将迅速转向N2，但台积电的许多普通客户在未来几年仍将坚持使用各种N3技术。

在台积电2022年技术研讨会上，该公司谈到了N3衍生的四种制造工艺(共5个3纳米级节点)，即N3E、N3P、N3S和N3X，将在未来几年推出。这些N3变体旨在为超高性能应用提供改进的工艺窗口、更高的性能、增加的晶体管密度和增强的电压。所有这些技术都将支持FinFlex，这是台积电的“秘密武器”，大大提高了他们的设计灵活性，并允许芯片设计师精确地优化性能，功耗和成本。

*注：台积电在2020年左右才开始分别发布针对模拟、逻辑和SRAM的晶体管密度增强。一些数字仍然反映了由50%逻辑、30% SRAM和20%模拟组成的“混合”密度。

N3和N3E：HVM步入正轨

台积电的首个3nm级节点被称为N3，该节点有望在今年下半年开始大规模生产(HVM)。实际芯片将于2023年初交付给客户。这项技术主要针对早期采用者(苹果等公司)，他们可以投资于前沿设计，并将受益于前沿节点提供的性能、功率、面积(PPA)优势。但由于N3是为特定类型的应用量身定制的，因此它的工艺窗口相对较窄(产生确定结果的参数范围)，就产量而言，这可能不适用于所有应用。

这就是N3E发挥作用的时候。新技术提高了性能，降低了功率，增加了工艺窗口，从而提高了产量。但是这样做的代价是节点的逻辑密度略有降低。与N5相比，N3E将在相同的速度和复杂度的情况下降低34%的功耗或在相同的功耗和复杂度的情况下提高18%的性能，并将逻辑晶体管密度提高1.6倍。

值得注意的是，根据台积电的数据，N3E将提供比N4X更高的时钟速度。然而，后者也将支持超高的驱动电流和超过1.2V的电压，在这一点上，它将能够提供较高的性能，但功耗也非常高。

总的来说，N3E看起来比N3更通用，这就是为什么台积电现在拥有更多的“3nm流片”，而不是在类似的发展阶段拥有5纳米级节点的原因。

使用N3E的芯片产量风险将在未来几周（即2022年第二季度末或第三季度初）开始，HVM将在2023年中期开始。因此，预计N3E商用芯片将在2023年底或2024年初上市。

N3P, N3S和N3X：性能，密度，电压

N3的改进并没有止步于N3E。台积电计划在2024年左右推出N3P，这是其制造工艺的性能增强版本，以及N3S，这是该节点的密度增强版本。不过台积公司目前并没有披露这些改型与基准N3相比将提供哪些改进。事实上，在2022年的技术研讨会上，台积电甚至没有在其路线图中展示N3S，只有张凯文在一次谈话中提到了N3S。

最后，对于那些无论功耗和成本都需要超高性能的客户，台积电将提供N3X，本质上是N4X的思想继承者。同样，台积公司没有透露这个节点的细节，只是说它将支持高驱动电流和电压。我们可以推测N4X可以使用后端电源传输，但由于我们讨论的是基于FinFET的节点，而台积电只会在基于纳米薄片的N2中实现后端电源轨道，所以我们不确定情况是否如此。尽管如此，在提高电压和性能方面，台积电可能还有许多王牌。

FinFlex：N3的秘密武器

说到增强功能，我们应该提到台积电为N3提供的秘密武器：FinFlex技术。简而言之，FinFlex允许芯片设计师精确地定制他们的构建模块，以获得更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

当使用基于FinFET的节点时，芯片设计人员可以使用不同的标准单元在不同的库之间进行选择。标准单元是执行布尔逻辑或存储功能的最基本构件，由一组晶体管和互连器组成。从数学的角度来看，可以使用不同配置的标准单元格执行相同的函数(具有相同的结果)。但从可制造性和可操作性的角度来看，不同的标准电池配置具有不同的性能、功耗和面积。当开发人员需要最小化芯片尺寸并以性能为代价节省电力时，他们会使用小型标准电池。但当他们需要在芯片尺寸和更高功率的权衡下最大化性能时，他们会使用大型标准电池。

目前，芯片设计人员必须为整个芯片或SoC设计中的整个模块坚持一个标准单元。例如，可以使用3-2个fin块来实现CPU内核以使它们运行得更快，或者使用2-1个fin标准单元来降低它们的功耗和占用空间。这是一个公平的权衡，但它并不适用于所有情况，尤其是当我们谈论使用比现有技术更昂贵的3nm级节点时。

对于N3，台积电的FinFlex技术将允许芯片设计师在一个块内混合和匹配不同类型的标准电池，以精确地调整性能、功耗和面积。对于像CPU核心这样的复杂结构，这样的优化提供了很多机会来提高核心性能，同时仍然优化模具尺寸。因此，我们渴望看到SoC设计师将能够在即将到来的N3时代利用FinFlex。

FinFlex并不是节点专门化(性能、密度、电压)的替代品，因为在单个工艺技术中，工艺技术比库或晶体管结构有更大的差异，但FinFlex看起来是台积电N3节点优化性能、功率和成本的好方法。最终，这项技术将使基于Fin的节点的灵活性更接近于基于纳米片/ GAAFET的节点，后者将提供可调节的通道宽度，以获得更高的性能或更低的功耗。

总结

与台积电的N7和N5一样，N3也将成为这家全球最大的半导体对比度制造商的另一个系列耐用节点。特别是随着台积电2nm级的基于纳米片的GAAFET的飞跃，3nm系列将成为该公司“经典”前沿FinFET节点的最终系列，许多客户将坚持使用更久。因此，台积电正准备为不同应用量身定制多个版本的N3以及FinFlex技术，为芯片设计师的设计提供更高的灵活性。

首批N3芯片将在未来几个月投产，并于2023年初上市。与此同时，台积电在2025年推出N2工艺技术后，仍将继续使用N3节点生产半导体。

原文链接：https://www.anandtech.com/show/17452/tsmc-readies-five-3nm-process-technologies-with-finflex

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