台积电（TSMC）关于下一代晶圆代工厂的访谈纪实

7/30/2024，光纤在线讯，文章来源：逍遥设计自动化

简介
台积电资深副总裁兼副营运长张晓强于2024年7月26日接受了知名产业分析师Dr. Ian Cutress的专访。在这次深度对话中，张晓强就摩尔定律的现状、台积电的先进制程技术、人工智能芯片的需求激增以及硅基光电子技术的发展前景等热点话题发表了见解。整个访谈既展现了张晓强诙谐幽默的一面，也体现了他对半导体行业的深刻洞察和务实态度。以下是为逍遥科技公众号的读者整理的访谈纪实。

问答纪要
-Q：当首席执行官们就计算的未来发表演讲时，有些人说摩尔定律已经失效。他们说他们必须在架构方面进行创新，因为他们在封装和工艺节点技术方面没有取得太多进展。台积电对此持什么立场？

      
-A：好吧，我的简单回答是——我不在乎。只要我们能够继续推动技术扩展，我不在乎摩尔定律是死是活。

但现实情况是，许多人根据二维扩展对摩尔定律进行了狭义定义——现在情况已经不同了。纵观我们行业中的创新激情，我们实际上仍在不断寻找将更多功能和性能集成到更小尺寸中的不同方法。我们仍在不断提高性能和能效。因此，从这个角度来看，我认为摩尔定律或技术扩展将继续存在。我们将继续创新，推动行业发展。

-Q：那么我们应该重新定义摩尔定律吗？我们应该制定新的定律吗？
-A：（笑）我会让其他人来定义。

-Q：台积电以工艺节点更新方面的渐进式创新而闻名——你们先有一个主要的工艺节点，然后在此基础上进行细微的改进。您认为台积电的成功在多大程度上归功于这种渐进式策略？[/
-A：嗯，我不太喜欢“渐进”这个词！如果你看看我们的技术路线图，从5纳米到3纳米，现在从3纳米到2纳米，如果你看看能效的提升，那可不是渐进式的。每一代都有超过30%的提升。但在主要节点之间，我们仍在继续推动渐进式改进。我们这样做的原因在于，我们允许客户继续从每一代新技术中获益。因此，在主要节点之间——是的，我们继续推动增量发展。但在主要节点之间，性能、密度方面的提升非常显著。

-Q：这是否是因为当客户进入一个主要节点时，他们需要投入大量前期成本来开发芯片？通过利用这些主要节点的更新，他们可以沿用相同或至少相似的设计，而无需花费大量资金？[/
-A：是的。例如，我们的客户升级到5纳米后，他们可以继续利用从N5到N5P的增量增强，当性能提升后，他们可以升级到N4和N4P，从而进一步提高密度。因此，在升级到主要节点后，这些增量增强使我们的客户能够继续收获规模效益和前期投资。

-Q：这些对主要节点的改进中，有多少是出于内部外向设计，有多少是出于客户的需求？
-A：我们与客户密切合作，选择合适的技术节点来支持他们的产品。这通常基于具体的产品设计，以确定他们可以在哪些方面实现最佳的产品水平效益。因此，我们与客户密切合作，做出正确的选择。

      
-Q：客户有没有提出过让您惊讶的要求？
-A： 没有。我们不希望客户提出意外要求。事实上，我们与客户密切合作——我们与客户坦诚相待，确保他们选择正确的技术。请记住，我们采用的是代工业务模式。我们的目标是帮助客户成功推出产品。我的老板经常对我说：“Kevin，你知道，我们从事代工业务，我们合作，我们成功，但有一个顺序，客户必须先成功，然后我们才能成功”。

-Q：我们正在参加台积电欧盟技术研讨会；你们刚刚举行了美国研讨会。主要发布的是新的主要节点A16，以及与该代产品一同推出的全新超级电源轨技术。这些技术带来了哪些优势？
-A：A16是重大技术改进，具有革命性意义，可为未来高性能应用（尤其是面向HPC和AI的应用）带来更强大的性能和更卓越的性能。A16采用纳米片晶体管，这是业界领先且最先进的晶体管架构。

同时，我们还增加了非常创新的背面电源轨设计。允许客户将电源布线从正面移到背面，从而腾出空间来提高性能，同时改善电源。我们的方法与BSPDN的传统设计截然不同——在传统的背面电源轨中，需钻一个孔，将背面的金属连接到正面的金属。这样做会占用空间，而且必须扩大单元库的占地面积。但在我们的设计中，我们采用了非常创新的方法——在不改变单元库占地面积的情况下，将接触点或晶体管、晶体管的源极移到背面。因此，这种巧妙的方法让我们能够保持占地面积，为客户提供最大的灵活性。

      
-Q：为了实现这一点，传统制造步骤是否有些混乱？
-A：我不想讨论这个具体流程，因为我们的研发团队会不高兴，但确实如我刚刚描述。

-Q：这非常类似于三明治设计，即晶体管、信号和电源。这肯定会增加制造成本吧？
-A：当然，这肯定会增加成本，但如果你看看密度、功率和性能优势，我认为成本是可以承受的。这对于HPC和AI应用尤为重要，因为节能计算是这些应用的关键驱动力。

-Q：如果有人选择A16节点，是否必须搭配超级电源轨？
-A：A16根据定义将配备超级电源导轨，是的。但我们确实提供了技术选项，允许我们的客户继续利用现有的设计附件，而不必使用背面电源。例如，移动应用中的电源布线强度不高，就不必使用背面电源。

-Q：通常在这些活动中，无论是您还是您的竞争对手，都会在投产前几年发布消息。那么，A16预计何时推出？
-A：因此，我们计划于2026年下半年为A16的主要客户投入生产。

-Q：这是否意味着PDK目前处于0.1版本？
-A：我不想详细讨论我们的附属计划，但总的来说，附属计划是针对客户的生产日期而制定的。正如我之前所说，我们希望A16能在2026年下半年投入生产。因此，我们的附属计划将支持这种时间表。

-Q：我们预计所有这些产品都在台湾生产吗？
-A：A16将在台湾开始生产。

-Q：去年，您提出了FINFLEX这个概念——即通过N3和优化散热片数量来决定是追求高性能还是高效率。现在，您正在用N2做NanoFlex。NanoFlex与FINFLEX有何不同？
-A：这是非常创新的方法。你可能听说过设计-技术协同优化（DTCO），我们继续推动设计和技术之间的协作，以进一步优化我们的技术产品。对于FINFLEX，在鳍状晶体管架构中，鳍的数量是数字化的。因此，在过去，在采用这种创新的FINFLEX方法之前，你必须使用三个鳍或四个鳍，你不能轻易地互换它们。我们的FINFLEX技术在3纳米时允许设计师混合搭配不同的基于鳍的库设计，但对于纳米片，我们称之为NanoFlex。这是类似的想法，允许设计师混合搭配不同高度的库，但它们有不同的片宽，因此您可以交替使用不同的尺寸。不同高度的库将允许设计师根据特定的设计目标进行选择，以实现更高的功率、性能和密度。

-Q：那么纳米片结构仍然是三片高，这似乎是行业标准？
-A：是的，但您可以改变薄片的宽度，这决定了库的高度。

-Q：那么显然这意味着你们也有不同的VT选项？NanoFlex和VT？
A： 是的，作为设计师，您有很多选择！

-Q：CoWoS（晶圆上芯片）的需求量很大——我们只需看看NVIDIA、AMD和英特尔的需求量就知道。你们在满足市场需求方面进展如何？CoWoS的扩展进展如何？
-A：对我们来说，CoWoS是AI加速器的核心。纵观当今所有大型AI加速器设计，它们几乎都基于TSMC N5或N4技术以及CoWoS。CoWoS的需求量很大！去年，AI的兴起让很多人（包括我们自己）感到意外。过去一年，CoWoS的需求量激增。

我们正在迅速扩大CoWoS产能，我认为我们所说的复合年增长率远远超过60%。这个数字非常高，但仍在持续增长。我们与客户密切合作，确保满足他们最关键的需求。但这是产能方面，CoWoS是内部能力。我们也在扩大CoWoS产能。

如果您看一下当今最先进的AI加速器，CoWoS中介层的大小大约是掩膜版大小的3倍，而掩膜版的大小约为800mm2——这提供了集成全掩膜版大小的SoC以及多达8个HBM堆栈的能力。但未来，也就是从现在起两年后，我们将能够将中介层尺寸扩展到掩膜尺寸的4.5倍，从而允许我们的客户集成多达12个HBM堆栈。我们不会就此止步。我们的研发团队已经开始将CoWoS中介层尺寸扩展到掩膜尺寸的7倍或8倍。

-Q：12个HBM堆叠是否足够？我经常听说人们想要更多。
-A：因此，在本次研讨会上，我们还宣布了另一项创新性的系统级集成技术，我们称之为“晶圆系统”（SoW）。如果您仔细想想，晶圆加工设备能够加工的最大尺寸是单个300mm晶圆，因此我们将晶圆作为基础层，将所有逻辑和高带宽DRAM整合到整个晶圆区域。

因此，如果用CoWoS术语来衡量，中间层尺寸的“X”的数量，即40x，是如此巨大。我们为客户提供的是，继续集成更多的计算功能、更多的内存带宽，以满足未来的AI需求。

-Q：众所周知，目前有两家主要公司（Cerebras和Tesla）在研究晶圆级技术，而它们都使用您的技术。在冷却和电源管理方面，您能为客户提供多少帮助？
-A：我们与客户密切合作——我们进行晶圆级集成。客户显然需要设计系统级后端，以确定如何将冷却剂引入系统。显然，你们有很多合作——我们与客户密切合作，共同寻找最佳散热解决方案。

-Q：这个系统级晶圆预计在2026/2027年推出？
-A：我们已经进行了有限的生产，但正如您所指出的，您知道会有更多人工智能高性能客户希望利用这种系统级集成来满足他们的未来需求。

-Q：您刚才提到了3倍、4.5倍和40倍的reticle ——未来，当reticle尺寸因技术（高数值孔径极紫外光）而必须变小时，我们是否需要将这个数字加倍？
-A：我希望我们不必缩小reticle尺寸！我们看到的是人们希望将它们全部整合在一起，以便它们紧密地协同工作。

-Q：那么，这是否意味着，随着工艺节点技术的不断进步，对计算能力的需求也在不断增加？您刚才说我们正处于晶圆级封装阶段。极限在哪里？
-A：没有极限。我认为，在节能计算需求方面，我们将不断看到这一趋势——这种需求是永无止境的。如果我们谈论的是人工智能模型ChatGPT，那么GPT4已经使用了大量训练人工智能芯片。因此，我们将继续在晶体管层面扩展我们的能力——明年我们将推出3纳米产品，然后是2纳米产品，而A16将继续在晶体管层面推动节能计算的发展。与此同时，我们正在讨论CoWoS技术，以扩展晶圆级集成。我们还将把光学信号引入封装中。综合以上所述，我们实际上是在为客户提供一个平台，让他们能够整合更多的计算功能和更多的内存带宽，以满足未来的AI需求。

-Q：当我与集成车载光学元件的公司交谈时，他们正在与你们的代工厂竞争对手打交道。但你们已经从事光学元件生产有一段时间了，而且你们还拥有这项新技术。
A：这就是紧凑型通用光电子引擎，COUPE就是它的缩写。
我们从事硅基光电子技术已经有一段时间了。事实上，我们已经为客户制造了将硅基光电子与电子收发器结合在一起的组件——这些组件构成了在数据中心广泛使用的可插拔光收发器。

但我们今天要做的是更进一步，利用我们最先进的3D堆叠技术。我们使用混合键合技术将电子芯片和光电子芯片更紧密地结合在一起，形成小型光引擎。电子和光电子在这里进行转换。我们知道电子擅长计算，但光子在信号传输方面更胜一筹。因此，通过构建这种紧凑的光学引擎，我们将其集成到先进的封装中，无论是今天的基板，还是未来可以利用CoWoS之类的技术将它们整合在一起，以显著提高带宽和功率效率。 如果您看一下今天的纯铜全电子系统，一个50Tb/s的交换机可以消耗超过2000瓦的功率。因此，通过使用这种微型光引擎，我们实际上可以将功耗降低至少40%。因此，在以尽可能低的功耗实现高数据带宽方面，它非常高效。

-Q：最终会有一些客户想要晶圆级产品，而另一些客户想要光电子产品吗？
-A： 是的，但我认为关键是要把它们结合在一起，因为计算仍然需要电子来完成。

-Q：所以您说的是使用两个独立的芯片，即电子芯片和光学芯片，然后使用最先进的混合键合技术将它们结合在一起，而有些公司表示我们实际上希望将所有这些整合在同一芯片上。这是否可行？
-A：在先进的电子芯片上实现某些光电子特性非常困难——制作单片芯片非常困难。然而，我认为通过混合键合技术，我们能够实现几乎与单片解决方案相当的连接性和功率效率，同时还能分别优化电子芯片和光电子芯片。我认为这是实现两全其美的最佳方式。

-Q：您刚才提到了用于网络方面的可插拔收发器，但我们现在讨论的是集成光电子技术，即直接将裸片封装到封装中。那么可插拔版本呢？
-A：实际上，可插拔版本已经存在，如果你看看现在的数据中心，主流做法就是使用可插拔版本。在电路板层面，是的。所以你在电路板层面从电子转换到光电子。所以未来，你将在芯片内部进行转换。所以从芯片中出来的信号已经把电子转换回光电子。这就是效率提升的来源。

-Q：但这是否可插拔？
-A：它已经可以插拔了；它有一个光纤，你可以把它插入你的芯片。只是你不想把它拔出来！

-Q：我最近参观了一家晶圆厂，看到了ASML公司最新、最先进的产品——一台新一代高数值孔径（NA）极紫外光（EUV）设备。英特尔在谈论这项技术时非常直率，他们希望成为率先部署这项技术的公司。台积电在高数值孔径（NA）方面持什么官方立场？
-A：让我们回顾一下——在将EUV引入大批量生产方面，台积电是领导者。回到我们的7纳米代，我们是业内第一个将EUV引入HVM（大批量生产）环境的。在EUV的生产使用和生产效率方面，我们仍然是今天的领导者。我认为我们的研发团队将继续关注新的EUV能力，包括高数值孔径（NA）EUV。我们将选择合适的位置来切入我们的技术节点。有很多因素需要考虑，其中显然包括可扩展性因素，以及成本可制造性因素。

-Q：您宣布将在全球各地新建多个工厂，以扩大全球生产规模，对此也有讨论。进展如何？
-A：进展非常顺利。而且速度非常快。看看我们的生产足迹，扩张速度相当惊人。仅在过去几年里，我们在亚利桑那州的工厂扩张速度就非常快。我们建造了第一家专注于4纳米工艺的工厂，明年将投入生产。我们还在那里建造了第二家工厂，并宣布了第三家工厂。我们将继续将最先进的节点技术引入北美，因为那里是我们最大的客户群所在地。从4纳米到3纳米，再到2纳米，甚至未来的A16，这一切都令人兴奋不已！

与此同时，我们正在日本和欧洲扩展我们的专业技术。在日本，熊本项目进展顺利，我们将在今年下半年投产。我们将带来最先进的MCU嵌入式非易失性存储器，这对欧洲的汽车行业非常重要。

-Q：这会在封装方面有所体现吗？
-A：我们正在评估这一方案，但与此同时，我认为我们目前正与合作伙伴密切合作，提升美国本土的制造能力。

-Q：因为我们在谈论人工智能和机器学习的需求，您是否通过客户看到台积电的研发工作正在转向迎合这些客户的需求？
-A：人工智能正在成为全球主要的技术平台，需要最先进的硅工艺技术。但不要忘记移动设备。移动设备仍然是需求量最大的产品，同时也需要最先进的技术。因此，我们正在通过针对不同应用和细分市场的优化技术来满足所有需求。我们的研发部门与不同客户就不同应用展开密切合作。我认为这是非常令人兴奋的事情。我们将继续推动技术定制化，以满足未来产品的需求。

参考来源
[1]https://morethanmoore.substack.com/p/q-and-a-with-tsmc-on-next-gen-foundry?fbclid=IwY2xjawETVRpleHRuA2FlbQIxMQABHeMPmFN27Ax3umzH5QaK-81WUo2vl_zsNQqfzSXiO0LTAZkRdhY8fa-WLw_aem_zNE9FtFIBUmm328Q8ktXEA

[2]https://www.youtube.com/watch?v=isjeYKLBffs&t=37s