臺積電更新技術路線圖 4納米工藝芯片將在2021年底風險生產

臺積電周二更新了其制程工藝路線圖，稱其 4 納米工藝芯片將在 2021 年底進入“風險生產”階段，并于 2022 年實現(xiàn)量產;3 納米產品預計在 2022 年下半年投產，2 納米工藝正在開發(fā)中。

在產能方面，沒有任何競爭對手能威脅到臺積電的主導地位，而且未來幾年內也不會。至于制造技術，臺積電最近重申，它有信心其 2 納米(N2)、3 納米(N3)和 4 納米(N4)工藝將按時推出，并保持比競爭對手更先進節(jié)點工藝領先優(yōu)勢。

今年早些時候，臺積電將 2021 年的資本支出預算大幅提高到 250 億至 280 億美元，最近更是追加到 300 億美元左右。這是臺積電未來三年增加產能和研發(fā)投入計劃的一部分，該公司計劃三年總共投資 1000 億美元。

在臺積電今年 300 億美元的資本預算中，約 80% 將用于擴大先進技術的產能，如 3 納米、4 納米、5 納米、6 納米以及 7 納米芯片。華興證券分析師認為，到今年年底，先進節(jié)點上的大部分資金將用于將臺積電的 5 納米產能擴大到每月 11 萬至 12 萬片晶圓。

與此同時，臺積電表示，其資本支出的 10% 將用于先進的封裝和掩模制造，另外 10% 將用于支持專業(yè)技術開發(fā)，包括成熟節(jié)點的定制版本。

臺積電最近提高資本支出的舉措是在英特爾宣布其 IDM 2.0 戰(zhàn)略 (涉及內部生產、外包和代工運營) 之后做出的，并在很大程度上重申了該公司在競爭加劇之際對短期和長期未來的信心。

臺積電總裁兼首席執(zhí)行官魏哲家在最近與分析師和投資者的電話會議上表示：“作為一家領先的晶圓代工企業(yè)，臺積電在成立 30 多年的歷史中從未缺乏競爭，但我們知道如何競爭。我們將繼續(xù)專注于提供領先的技術、卓越的制造服務，并贏得客戶的信任。其中，贏得客戶信任是相當重要的，因為我們沒有與客戶競爭的內部產品。”

N5 工藝贏得客戶信賴

臺積電是 2020 年中期第一家開始使用其 N5 工藝技術進行大規(guī)模芯片制造 (HVM) 的公司。最初，該節(jié)點僅用于為臺積電的最重要客戶服務，即蘋果和海思。如今，隨著更多客戶已經準備好各自的 N5 規(guī)格芯片設計，因此該節(jié)點的采用正在增長。與此同時，臺積電表示，計劃使用 N5 系列技術 (包括 N5、N5P 和 N4) 的客戶比幾個月前預計的要多。

魏哲家說：“N5 已經進入量產的第二個年頭，產量比我們最初的計劃要高。在智能手機和高性能計算(HPC)應用的推動下，N5 的需求繼續(xù)強勁，我們預計 2021 年 N5 將貢獻晶圓收入的 20% 左右。事實上，我們看到 N5 和 N3 的客戶越來越多。需求如此之高，我們必須準備好應對的準備。”

對于臺積電來說，HPC 應用包括許多不同類型的產品，比如 AI 加速器、CPU、GPU、FPGA、NPU 和視頻游戲 SoC 等。由于臺積電只是代工制造商，不會透露它使用哪種節(jié)點生產的產品，但 N5 在 HPC 領域的采用率正在增長這一事實非常重要。

魏哲家表示：“我們預計，在智能手機和 HPC 應用需求強勁的推動下，未來幾年對我們 N5 系列的需求將繼續(xù)增長。我們預計 HPC 不僅會在第一波增長中出現(xiàn)，實際上還會在更多的需求波中出現(xiàn)，以支持我們未來領先的 N5 節(jié)點。”

臺積電 N5 在尖端技術采用者中的市場份額正在增加，這并不特別令人驚訝。華興資本分析師估計，臺積電 N5 的晶體管密度約為每平方毫米 1.7 億個晶體管，這將使其成為當今可用密度最高的技術。相比之下，三星電子的 5LPE 每平方毫米可以容納大約 1.25 億到 1.3 億個晶體管，而英特爾的 10 納米節(jié)點晶體管密度大約為每平方毫米 1 億個。

在接下來的幾周里，臺積電將開始使用其名為 N5P 的 N5 改進技術性能增強版來制造芯片，該技術承諾將頻率提高至多 5%，或將功耗降低至多 10%。N5P 為客戶提供了一條無縫的遷移路徑，無需大量的工程資源投資或更長的設計周期，因此任何使用 N5 設計的用戶都可以使用 N5P。例如，N5 的早期采用者可以將他們的 IP 重新用于 N5P 芯片。

N4 明年將投入量產

臺積電的 N5 系列技術還包括將在今年晚些時候進入“風險生產”階段，并將在 2022 年用于批量生產的 N4 工藝芯片。這項技術將提供比 N5 更多的 PPA (功率、性能、面積) 優(yōu)勢，但保持相同的設計規(guī)則、設計基礎設施、SPICE 模擬程序和 IP。同時，由于 N4 進一步擴大了 EUV 光刻工具的使用范圍，它還減少了掩模數(shù)量、工藝步驟、風險和成本。

魏哲家說：“N4 將利用 N5 的強大基礎進一步擴大我們的 5 納米系列技術優(yōu)勢。N4 是從 N5 直接遷移過來的，具有兼容的設計規(guī)則，同時為下一波 5 納米產品提供進一步的性能、功率和密度增強。N4 的目標是今年下半年進入風險生產階段，2022 年實現(xiàn)批量生產。”

到 2022 年 N4 產品投入量產時，臺積電將擁有約兩年的 N5 經驗和三年的 EUV 經驗。因此，人們的預期是，其收益率將會很高。但是，即使 N4 被認為是尖端的，它也不會是臺積電明年提供的最先進制造技術。

N3 將于 2022 年下半年亮相

2022 年，臺積電將推出其全新的 N3 制造工藝，該工藝將繼續(xù)使用 FinFET 晶體管，但預計將提供一整套 PPA 改進方案。特別是，與目前的 N5 工藝相比，臺積電的 N3 承諾將性能提高 10%-15%，或者降低 25%-30% 的功耗。同時，根據結構的不同，新節(jié)點還將使晶體管密度提高 1.1 到 1.7 倍。

N3 將進一步增加 EUV 層的數(shù)量，但將繼續(xù)使用 DUV 光刻。此外，由于該技術始終在使用 FinFET，它將不需要從頭開始重新設計的新一代電子設計自動化 (EDA) 工具和開發(fā)全新的 IP，相對于三星基于 GAAFET/MBCFET 的 3GAE，這可能更具競爭優(yōu)勢。

魏哲家表示：“N3 將是我們繼 N5 之后的又一次全面節(jié)點跨越，它將使用 FinFET 晶體管結構為我們的客戶提供最好的技術成熟度、性能和成本。我們的 N3 技術開發(fā)進展良好。與 N5 和 N7 相比，我們繼續(xù)看到 N3 的 HPC 和智能手機應用客戶參與度要高得多。”

事實上，臺積電聲稱客戶對 N3 的參與度越來越高，間接地表明了其對 N3 寄予了厚望。魏哲家說：“N3 的風險生產預計在 2021 年啟動，量產目標是在 2022 年下半年。我們的 N3 技術推出后，將成為 PPA 和晶體管技術中最先進的代工技術。我們有信心，我們的 N5 和 N3 都將成為臺積電大規(guī)模和持久使用的節(jié)點工藝。”

超越 N3

全柵場效應晶體管 (GAAFET) 仍是臺積電發(fā)展路線圖的重要組成部分。該公司預計將在其“后 N3”技術 (大概是 N2) 中使用全新的晶體管。事實上，臺積電正處于尋找下一代材料和晶體管結構的階段，這些材料和晶體管結構將在未來許多年內使用。

臺積電在最近的年報中稱：“對于先進的 CMOS(互補金屬氧化物半導體)，臺積電的 3 納米和 2 納米 CMOS 節(jié)點在流水線上進展順利。”此外，臺積電加強的探索性研發(fā)工作集中在 2 納米節(jié)點、3D 晶體管、新存儲器和 Low-R 互連等領域，這些領域正在為引入許多技術平臺奠定堅實的基礎。

值得注意的是，臺積電正在 12 號工廠擴大研發(fā)能力，目前正在研發(fā) N3、N2 和更先進的節(jié)點。

有信心超越代工行業(yè)整體增長率

總體而言，臺積電相信，其“大家的晶圓代工廠”(everyone's foundry) 戰(zhàn)略將使其在規(guī)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。

臺積電首席財務官黃文德最近在與分析師和投資者的電話會議上表示：“我們現(xiàn)在預測，2021 年全年，代工行業(yè)的增長率約為 16%。對于臺積電來說，我們有信心能夠超越晶圓代工行業(yè)的整體增長，在 2021 年實現(xiàn) 20% 左右的增長。”

該公司擁有強大的技術路線圖，并將繼續(xù)每年推出改進的前沿節(jié)點，從而以可預測的節(jié)奏為客戶提供技術改進。

臺積電知道如何與擁有尖端節(jié)點的競爭對手以及專注于專業(yè)工藝技術的芯片制造商競爭，因此它并不認為英特爾代工服務 (IFS) 是直接的威脅，特別是因為后者主要聚焦于尖端和先進的節(jié)點。

金融分析師普遍認同臺積電的樂觀態(tài)度，主要是因為預計該公司的 N3 和 N5 節(jié)點將不會有競爭對手提供類似的晶體管密度和晶圓產能。

華興證券分析師表示：“繼英特爾今年 3 月宣布的晶圓代工業(yè)務回歸后，臺積電愿意從 2021 年開始制定為期 3 年的 1000 億美元資本支出和研發(fā)投資計劃，這表明其有信心擴大代工領導地位。我們認為，隨著 N3 和 N5 的出現(xiàn)，臺積電的戰(zhàn)略價值也在上升：HPC 和智能手機應用的 N5 生產活動強勁，同時與 N5 和 N7 在類似階段相比，N3 客戶的參與度更高。”

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