趋势丨技术革新!台积电1.6nm最新技术公布

AI芯天下 2024-10-12 20:30

·聚焦:人工智能、芯片等行业

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前言
AI竞赛下,台积电的产能实在是抢手,英伟达、博通、高通等科技巨头都是台积电的大客户。

台积电在年初公布1.6nm半导体工艺后,该技术在近期有了重大突破。


作者 | 方文三
图片来源 |  网 络 


晶圆厂竞争格局


目前全球提供晶圆代工服务的厂商主要包括台湾的台积电、美国英特尔旗下的晶圆代工部门、韩国三星旗下的晶圆代工部门、美国格罗方德、台湾的联电、世界先进、中国的中芯国际、华虹。


从营收规模看,台积电远远领先于其他晶圆厂,24年一季度营收为188亿美元,市场份额高达62%,远超排名第二的三星的11%。


这种市场主导地位使得台积电在客户中具有很高的吸引力,许多顶尖的芯片制造商,如Nvidia、AMD、苹果和高通等,都是其长期合作伙伴。


目前全球能做到7nm以下的仅有台积电、英特尔、三星。当半导体产业从22nm进展到16nm工艺节点,平面晶体管也过渡到FinFET晶体管,以降低功率泄漏、增强驱动电流、提高可扩展性、加快开关时间,为半导体逻辑组件促进整体更好的晶体管选择,于是FinFET制造技术一路从22nm芯片进展至5nm芯片。


但在7nm制程以下,静态漏电的问题越来越大,原本制程演进的功耗和性能红利逐渐消失,这也是近些年摩尔定律失效之说甚嚣尘上的主要原因。当代尖端制程演进实现的同功耗性能提升只有15~20%,甚至可能还不到。



台积电最新技术,近期有了重大突破

新思科技近日披露了一项针对于1.6nm工艺的背面电源布线项目,将对万亿晶体管芯片的设计至关重要。


虽然1.6nm在名字上还被叫做“纳米”,但台积电将其命名为A16,即16埃米。


埃米是比纳米还小一级的单位,因此16埃米在等价成1.6纳米后,在技术难度上其实提高了不仅一个量级。


据今年台积电发布会上公开的资料,TSMC A16TM技术将采用领先的纳米片晶体管,并结合创新的背侧电源轨方案,计划于2026年投入生产。


背侧电源轨方案是一种晶背供电的逻辑IC布线方案,该技术可以分离电源线与讯号线的配置,推动2nm以下逻辑芯片持续微缩,还能增强供电效能从而提升系统性能。


就是晶圆背面的空间很有利用的发展潜力,如果能将电源轨从前端移到背面,那么可以缓解晶圆正面的拥塞,自然就能实现芯片的微缩,这就是A16TM技术的思路之一。


据估算,相比于苹果采用的N2P工艺,A16TM技术能在相同的Vdd(正电源电压)下提供8-10%的速度提升,并在相同速度下降低15-20%的功率消耗,最终实现最高达1.1倍的芯片密度提升。



为何需要用背电技术


实现3nm以下小型化的关键技术之一是背面供电网络(BPD、BSP或BSPDN),这种新方法分别将晶圆正面和背面的信号和功率交换分开。


传统上,电源是通过在晶圆正面使用BEOL(后端生产线)工艺制造的低电阻金属线网络来实现的。该电力输送网络(PDN)与信令网络或设计用于传输信号的互连共享空间。


然而,BSPDN消除了这一点,允许互连扩展继续进行。它还通过降低金属图案的复杂性来降低成本。


Intel、Samsung和tsmc都宣布计划在2nm节点附近实施某种形式的BSPDN。



目前技术与之前对比


台积电1.6nm技术相较于7nm和5nm技术,在制程尺寸、工艺技术、性能和功耗、成本和产能等方面都有显著的改进和提升。


在制程尺寸上,1.6nm进一步缩小了晶体管尺寸,实现了更高的集成度。


在工艺技术上,7nm和5nm采用微影技术,但在关键工艺步骤上有所不同,5nm可能采用更先进的曝光设备和光刻技术。


1.6nm的背面供电网络技术(BSPDN),通过将电源供应集成到晶体管的背面,极大地提升了电力传输效率和晶体管密度。


在性能和功耗上,5nm芯片具有更高的性能和更低的功耗。1.6nm在相同电压下将时钟频率提高10%,在相同频率和复杂性下降低功耗15%-20%3。


在成本和产能上,5nm芯片的制造成本较高,产能可能受到限制。1.6nm尽管技术复杂度增加,但台积电通过产业链协同创新模式,确保了新工艺的顺利量产和市场推广。



预计应用场景将更进一步


与之对比,7nm适用于移动设备、物联网、汽车电子等低功耗应用场景。5nm更适用于高性能计算、人工智能、云计算等需求更高的领域。


1.6nm则预计将首先被人工智能芯片公司采用,适用于高性能计算和人工智能等领域,尤其是需要高密度计算和高效能供电的场景。


另外,台积电还与另一家软件公司ANSYS展开深度合作,双方将整合AI技术,以加速3D集成电路的设计进程。


台积电1.6nm技术的推出,不仅代表了半导体制造技术的又一重大进步,也为未来的高性能计算、人工智能等应用提供了更加强大的平台。



结尾:


在先进制程方面,目前台积电仍领先于三星和英特尔,在摩尔定律逐渐放缓的趋势下,仅仅从微缩晶体管,提高密度以提升芯片性能的角度正在失效。


对此,先进封装成为后摩尔时代弥补芯片性能和成本的重要解决方案之一,台积电、英特尔、三星都在先进封装扮演重要角色。


内容参考来源于:镁客网:太卷了!台积电1.6nm最新技术公布; 元象資本 Meta Elephant:台积电为何持续领先?——晶圆代工厂发展路线比较; 芯芯有我:TSMC1.6nm工艺介绍,及各家芯片背电技术比较; 小北数码日记:7nm芯片和5nm芯片的区别:五大差异,看这篇就够了


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