晶圓代工龍頭台積電當地時間 16 日展開其 2022 年台積電技術研討會的北美場次，公司分享其在製程技術上的發展路線以及未來的計畫。其中，台積電所宣布的關鍵事項之一就是其 3 奈米製製程 (N3) 和 2 奈米製程 (N2) 等先進製程節點的狀況。未來幾年，這些節點製程將在用在製造先進的 CPU、GPU 和 SoC 上。
根據外媒報導，隨著製造技術變得越來越複雜，它們的發展、研究和開發時間也變得越來越長。因此，我們不再看到台積電和其他代工廠能在每兩年就會出現一個全新的節點製程。而在當前最先進的在 N3 製程中，台積電導入使用的時程將擴大到 2.5 年左右，而在未來 N2 製程中，則時程更將延長到 3 年左右。
延長導入使用時程這代表著台積電將需要提供 N3 節點製程的加強版本，以滿足其客戶的需求，因為台積電的客戶仍持續不斷的提升每瓦性能的改進，以及晶體體密度的提升。台積電及其客戶需要多個版本的 N3 節點製程的另一個原因，是 N2 節點製程需要依賴於使用奈米片 (Nanosheet) 結構來達成的全新柵極環繞場效應晶體管 (GAA FET) 技術，這預計這使得成本提高，並且必須新設計方法、新 IP 和許多其他變化。雖然，先進的晶片開發人員將很快轉移到 N2 製程，但台積電的許多普通客戶將在未來幾年持續使用各種 N3 製程技術。
就因為以上的因素， 2022 年台積電技術研討會上就談到了將在未來幾年推出的四種 N3 節點製程的延伸製程技術，這使得 N3 節點製程將會總計推出五個製程技術，包括 N3、N3E、N3P、N3S 和 N3X。這些 N3 的延伸製程中，目的是在為超高性能應用提供改進的製程技術，使其具有更高的性能、提升數量的電晶體密度，以及提供更強的增強電壓。而且，所有這些技術都將支持 FinFlex 架構，這是台積電的祕密武器，極大化的增強了他們的設計靈活性，並允許晶片設計人員精確優化性能、功耗和成本。
N3 和 N3E：步入大量生產的軌道中
台積電的第一個 3 奈米級節點製程稱為 N3，該節點有望在 2022 年下半年開始大量生產，實際晶片產品將於 2023 年初交付給客戶。該技術主要針對早期使用客戶，他們可以投資於領先的設計，並從性能、功率、面積 (PPA) 中受惠先進節點製程所提供的優勢。但由於它是為特定類型的應用量身克制的，因此 N3 節點製程應用性相對較窄。因此，就產量階段來說，這可能並不適合所有應用。
而基於以上 N3 的發展原則，就使得延伸的 N3E 製程有發揮作用的空間。該製程提高了性能，也降低了功耗，而且還增加了製程的應用性，以期望藉此提高產量。但必需考量的是該節點的邏輯密度略有降低，其與 N5 製程相較，N3E 其電晶體密度提高 1.6 倍，並且在相同的運算速度和復雜性下，將提供 34% 的功耗降低，或在相同的功率和復雜性下有 18% 的性能提升。值得注意的是，根台積電的資料顯示，N3E 將提供比 N4X 更高的運算速度。然而，N3E 因為將支援超高驅動電流和 1.2V 以上的電壓，在這一點上雖然讓它將能夠提供無與倫比的性能，但卻使得功耗非常高。
N3E 製程的晶片風險試產將在 2022 年第二季或第三季開始，大量生產將在 2023 年中期開始。因此，預計商用化的 N3E 製程晶片將在 2023 年底或 2024 年初上市。
N3P、N3S 和 N3X：對性能、密度、電壓有不同提升
事實上，N3 節點製程的延伸並不只 N3E一種製程而已。台積電將在 2024 年左右推出 N3P 製程，這是 N3 製程的性能增強版本，另外還有 N3S製程，這就是 N3 製程的電晶體密度增強版本。不過，對於這些新延伸的製程，台積電當前並沒有透露其相較於 N3 製程將改變或提升那些特性。事實上，當前台積電在其展示的發展路線圖上，甚至都沒有點出 N3S 製程來，所以也無法確認相關的性能狀況。
另外，對於那些包括功耗和成本都需要超高性能的客戶，台積電還將提供 N3X 製程。N3X 製程基本上是 N4X 製程的接班人。不過，台積電同樣未透露有關該節點的詳細資訊，只表示 N3X 製程將支援高驅動電流和電壓，這使得市場推測 N3X 可以使用背面供電。不過，因為當前談論的都是採用 FinFET 技術的製程節點，而台積電預計在 N2 節點製程上開始採用奈米片架構的 GAAFET 技術來達成背面供電，這使得市場的猜測能否達成當前還不能確定。不過， N3X 製程因為在電壓和性能方面提升，屆時台積電將具備許多優勢。
FinFlex：N3 製程祕密武器
報導指出，談到增強性能，就不能不提台積電 N3 製程的祕密武器──FinFlex 技術。簡單說，FinFlex 就是允許晶片設計人員精確地設計他們的結構模組，以達成具備更高的性能、更高的密度和更低的功耗特性。因此，對於 N3 製程來說，台積電的 FinFlex 技術將允許晶片設計人員在一個模組內混合和匹配不同類型的 FinFET，以精確訂定性能、功耗和晶片面積。對於像 CPU 核心這樣的複雜結構，如此的優化可提供很多提高核心性能的機會，同時仍然還可以優化晶片的裸片尺寸。
雖然，FinFlex 技術並不能代替節點升級帶來的性能、密度、電壓變化，但是 FinFlex 技術目前看來卻是優化性能、功率和成本的好方法。未來，台積電的 N3 節點製程將透過 FinFlex 使 FinFET 技術更接近採用奈米片的 GAAFET 技術的靈活性，包括提供可調節的通道寬度，以獲得更高的性能，或降低功耗等。
最後，總結來說，和台積電的 N7 和 N5 節點製程一樣，N3 將成為世界上最大的晶圓代工商的另一個持久節點製程系列。尤其，隨著台積電在 2 奈米節點製程轉向採用奈米片的 GAAFET 技術，3 奈米節點製程系列將成為該公司經典的先進 FinFET 技術最後一個系列，許多客戶預計將堅持使用幾年，或者更多時間。反過來，這也是台積電為不同應用準備多個版本的 N3 製程系列以及 FinFlex 技術的原因，以為晶片設計人員的設計提供一些額外的靈活性。
(首圖來源：shutterstock)
