詳解臺積電代工廠未來規(guī)劃

在過去的一年里，我有機(jī)會向每家大型代工廠詢問他們未來的計劃。這一系列中最新的是臺積電，這是他們最近宣布路線圖和即將推出的工藝節(jié)點技術(shù)的一部分。作為全球領(lǐng)先的尖端和 EUV 邏輯制造商，以及封裝絕大多數(shù)大型 AI 芯片的公司，臺積電在過去幾年中面臨著快速和大規(guī)模執(zhí)行的壓力。作為對下一代技術(shù)的承諾的一部分，該公司宣布了其 A16 工藝節(jié)點、Super Power Rail（背面供電的營銷名稱）、進(jìn)軍共封裝光學(xué)器件和晶圓上硅技術(shù)，利用對最大芯片更大基板的需求。這是我關(guān)于這些公告的最新視頻。

這些消息是在今年早些時候臺積電的美國技術(shù)研討會上宣布的。該研討會是一次路演，涵蓋了該公司的各個大洲和主要市場。就在歐盟研討會之前，我有機(jī)會與臺積電高級副總裁兼副聯(lián)席首席運營官張凱文博士進(jìn)行了一次采訪。我們討論了廣泛的話題，從張凱文對摩爾定律的看法，到市場在人工智能的重壓下發(fā)生了怎樣的變化（以及人工智能的激活）。

下面是采訪的摘要。

問：當(dāng)首席執(zhí)行官們介紹計算的未來時，有些人會說摩爾定律已經(jīng)失效了。他們說他們必須在架構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新，因為他們從封裝和工藝節(jié)點技術(shù)中獲益不多。臺積電對此持什么立場？

答：嗯，我的回答很簡單：我不在乎。只要我們能夠繼續(xù)推動技術(shù)進(jìn)步，我不在乎摩爾定律是否有效。

但現(xiàn)實是，許多人只是基于二維縮放對摩爾定律進(jìn)行了狹隘的定義——現(xiàn)在情況已不再如此。看看我們行業(yè)的創(chuàng)新炒作，我們實際上仍在繼續(xù)尋找不同的方法，將更多功能和更多能力集成到更小的外形尺寸中。我們繼續(xù)實現(xiàn)更高的性能和更高的能效。因此從這個角度來看，我認(rèn)為摩爾定律或技術(shù)縮放將繼續(xù)存在。我們將繼續(xù)創(chuàng)新，推動行業(yè)向前發(fā)展。

問：那么我們是否應(yīng)該重新定義摩爾定律？我們是否應(yīng)該制定一條新定律？

答：（笑）我讓別人來定義吧。

問：臺積電以漸進(jìn)式的工藝節(jié)點更新而聞名——主要工藝節(jié)點是主要節(jié)點，然后是在此節(jié)點上不斷迭代的小變化。您認(rèn)為臺積電的成功有多少歸功于這種漸進(jìn)式策略？

答：嗯，我不太喜歡“漸進(jìn)”這個詞！如果你看看我們的技術(shù)路線圖，從 5nm 到 3nm，現(xiàn)在從 3nm 到 2nm，如果你看看能源效率的提高，你會發(fā)現(xiàn)它不是漸進(jìn)式的。每代都超過 30%。但在主要節(jié)點之間，我們將繼續(xù)推動漸進(jìn)式增強(qiáng)。我們這樣做的原因是，我們允許我們的客戶繼續(xù)從每一代新技術(shù)中獲得擴(kuò)展效益。所以在主要節(jié)點之間——是的，我們繼續(xù)推動漸進(jìn)式。但在主要節(jié)點之間，增強(qiáng)，或者說功率、性能、密度的改進(jìn)是非常顯著的。

問：是不是因為當(dāng)客戶進(jìn)入主要節(jié)點時，他們需要大量的前期成本來開發(fā)芯片？通過利用這些主要節(jié)點的更新，他們可以利用相同或至少類似的設(shè)計，而不必花費一大筆錢？

答：沒錯。例如，在我們的客戶升級到 5nm 后，他們可以繼續(xù)利用從 N5 到 N5P 的增量增強(qiáng)，當(dāng)獲得性能提升后，您就可以轉(zhuǎn)到 N4 和 N4P，并獲得進(jìn)一步的密度改進(jìn)。因此，在您跳到主要節(jié)點后，這些增量增強(qiáng)使我們的客戶能夠繼續(xù)收獲擴(kuò)展優(yōu)勢和他們前期的投資。

問：主要節(jié)點的這些增強(qiáng)有多少是來自內(nèi)部出站設(shè)計，有多少是來自入站客戶需求？

答：我們與客戶密切合作，選擇正確的技術(shù)節(jié)點來****他們的產(chǎn)品。這通?；谔囟ǖ漠a(chǎn)品設(shè)計，以了解他們在哪里可以最大限度地實現(xiàn)最佳產(chǎn)品水平效益。因此，我們與客戶密切合作，做出正確的選擇。

問：您有收到過顧客什么令人驚奇的要求嗎？

答：不會。我們不想讓客戶感到意外。我們實際上與他們密切合作——我們對客戶保持開放，以確保他們選擇正確的技術(shù)。請記住，我們采用的是代工業(yè)務(wù)模式。我們的目標(biāo)是幫助客戶實現(xiàn)成功的產(chǎn)品。我的老板經(jīng)常告訴我：“凱文，你知道，我們從事代工業(yè)務(wù)，我們共同努力，取得成功，但有一個順序，客戶必須先成功，然后我們才能成功?！?/p>

問：我們現(xiàn)在正在參加臺積電歐盟技術(shù)研討會；你們剛剛舉行了美國研討會。主要公告是新的主要節(jié)點 A16，以及這一代也將推出的全新 Super Power Rail 技術(shù)。這些帶來了什么？

答：A16 是一項重大的技術(shù)改進(jìn)，在為未來的高性能應(yīng)用（尤其是針對 HPC 和 AI 的應(yīng)用）帶來更多功能和性能方面具有革命性。A16 采用納米片晶體管，這是業(yè)界領(lǐng)先且最先進(jìn)的晶體管架構(gòu)。

同時，我們還增加了一個非常創(chuàng)新的背面電源軌設(shè)計。這種背面電源軌設(shè)計允許客戶將電源布線從正面移到背面，從而騰出空間來提高性能，同時改善電源。我們的方法與傳統(tǒng)的 BSPDN 設(shè)計非常不同 - 在傳統(tǒng)的背面電源軌中，你只需鉆孔即可將背面金屬連接到正面金屬。這樣做會占用空間，并且必須擴(kuò)大庫單元的占用空間。但在我們的設(shè)計中，我們采用了非常創(chuàng)新的方法 - 我們將觸點或晶體管、晶體管的源極移到背面，而不會改變庫單元的占用空間。因此，這種巧妙的方法使我們能夠保持占用空間，并為客戶提供最大的靈活性

問：這是否意味著為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，傳統(tǒng)的制造步驟會有些混亂？

答：我不想談?wù)撨@個具體的過程步驟，因為我們的研發(fā)團(tuán)隊不會很高興，但是可以。

問：它就像三明治設(shè)計，晶體管、信號和電源。這肯定會增加很多制造成本吧？

答：當(dāng)然，這肯定會產(chǎn)生相關(guān)成本，但如果你看看密度、功率和性能優(yōu)勢，我認(rèn)為它的價值超過了成本。這對于高性能計算和人工智能應(yīng)用尤其重要，因為節(jié)能計算是關(guān)鍵驅(qū)動因素。

問：那么如果有人選擇 A16 節(jié)點，他們是否必須攜帶 Super Power Rail？

答：A16 按照定義將擁有超級電源軌，是的。但我們確實提供了技術(shù)選項，使我們的客戶能夠繼續(xù)利用現(xiàn)有的設(shè)計資料，而不必使用背面電源。例如，在電源布線不那么密集的移動應(yīng)用中，您不必使用背面電源。

問：通常在這些活動中，無論是您還是您的競爭對手，都會在生產(chǎn)前幾年發(fā)布公告。那么，我們預(yù)計 A16 會在什么時候推出呢？

答：因此，我們的目標(biāo)是在 2026 年下半年為主要客戶投入 A16 生產(chǎn)。

問：這是否意味著您現(xiàn)在大致處于 PDK 的 0.1 版本？

答：我不想詳細(xì)闡述我們的抵押品計劃，但總的來說，我們的抵押品計劃是針對客戶生產(chǎn)天數(shù)而設(shè)計的。正如我之前所說，我們希望 A16 能在 2026 年下半年投入生產(chǎn)。因此，我們的抵押品計劃將支持這種計劃。

問：我們預(yù)計所有產(chǎn)品都將在臺灣生產(chǎn)嗎？

A：A16將在臺灣首發(fā)。

問：去年，你們引入了 FINFLEX 這一術(shù)語，即利用 N3 并優(yōu)化鰭片數(shù)量以決定是需要高性能還是高效率?，F(xiàn)在你們正在使用 N2 實現(xiàn) NanoFlex。NanoFlex 與我們理解的 FINFLEX 有何不同？

答：這是一種非常創(chuàng)新的方法。您可能聽說過設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO)，我們將繼續(xù)推動設(shè)計與技術(shù)之間的協(xié)作，以進(jìn)一步優(yōu)化我們的技術(shù)產(chǎn)品。對于 FINFLEX，在鰭式晶體管架構(gòu)中，鰭片的數(shù)量是數(shù)字化的。因此，在過去，在這種創(chuàng)新的 FINFLEX 方法出現(xiàn)之前，您必須使用三個鰭片或四個鰭片，您無法輕松交換它們。我們的 3nm FINFLEX 技術(shù)允許設(shè)計人員混合搭配不同的基于鰭片的庫設(shè)計，但對于納米片，我們稱之為 NanoFlex。這是一個類似的想法，允許設(shè)計人員混合搭配不同高度的庫，但它們的片寬度不同，因此您可以交替使用不同的尺寸。不同高度的庫將允許設(shè)計人員根據(jù)特定的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行選擇，以實現(xiàn)最佳效益，從而實現(xiàn)更高的功率、更高的性能和更高的密度。

問：那么納米片結(jié)構(gòu)仍然有三片高，這似乎是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)？

答：是的，但您可以改變紙張寬度，這決定了圖書館的高度。

問：那么顯然意味著你們也有不同的 VT 選項？NanoFlex 和 VT？

答：是的，作為一名設(shè)計師，你確實有很多選擇！

問：CoWoS（晶圓基板芯片）需求旺盛，NVIDIA、AMD、英特爾的需求量都很大。你們在多大程度上能夠滿足市場需求？CoWoS 的擴(kuò)張進(jìn)展如何？

答：對我們來說，CoWoS 是 AI 加速器的主力。如果你看看當(dāng)今所有的大型 AI 加速器設(shè)計，它們幾乎都是基于臺積電 N5 或 N4 技術(shù)加上 CoWoS。CoWoS 的需求量很大！去年，AI 的激增讓包括我們在內(nèi)的很多人措手不及。CoWoS 的需求在過去一年中大幅增長。

我們現(xiàn)在正在迅速擴(kuò)大我們的 CoWoS 產(chǎn)能，我認(rèn)為我們所說的復(fù)合年增長率遠(yuǎn)高于 60%。這個數(shù)字非常高，但仍在繼續(xù)增長。我們與客戶密切合作，確保滿足他們最關(guān)鍵的需求。但這是產(chǎn)能方面，CoWoS，即內(nèi)部能力。我們也在擴(kuò)大我們的 CoWoS 能力。

如果您看看當(dāng)今最先進(jìn)的 AI 加速器，就會發(fā)現(xiàn) CoWoS 中介層尺寸大約是光罩尺寸的 3 倍，而光罩尺寸約為 800 平方毫米-這提供了集成全光罩尺寸 SoC 以及最多 8 個 HBM 堆棧的能力。但在未來，也就是兩年后，我們將能夠?qū)⒅薪閷映叽鐢U(kuò)大到光罩尺寸的 4.5 倍，讓我們的客戶能夠集成最多 12 個 HBM 堆棧。我們不會止步于此。我們的研發(fā)團(tuán)隊已經(jīng)開始將 CoWoS 中介層尺寸擴(kuò)大到光罩尺寸的 7 倍或 8 倍。

問：12 個 HBM 堆棧夠用嗎？我一直聽說人們想要更多。

答：在本次研討會上，我們還宣布了另一項創(chuàng)新的系統(tǒng)級集成技術(shù)，我們稱之為晶圓系統(tǒng) (SoW)。如果你仔細(xì)想想，晶圓加工設(shè)備所能制造的最大尺寸是單個 300 毫米晶圓，因此我們將晶圓作為基礎(chǔ)層，并將所有邏輯和高帶寬 DRAM 整合在一起，以集成整個晶圓區(qū)域。因此，如果你使用 CoWoS 術(shù)語來衡量，中介層尺寸的“X”數(shù)是 40 倍，非常龐大。這就是我們?yōu)榭蛻籼峁┑姆?wù)，以繼續(xù)集成更多計算功能和更多內(nèi)存帶寬，以滿足未來的 AI 需求。

問：眾所周知，目前有兩家主要公司（Cerebras 和 Tesla）正在研究晶圓級芯片，而且它們都使用你們的產(chǎn)品。在冷卻和電源管理方面，你們?yōu)榭蛻籼峁┝硕嗌賻椭?/p>

答：我們與客戶密切合作——我們進(jìn)行晶圓級集成?？蛻麸@然必須設(shè)計系統(tǒng)級后端，即如何將冷卻劑引入系統(tǒng)。顯然，您需要進(jìn)行大量合作——我們與系統(tǒng)提供商的客戶密切合作，共同尋找最佳散熱解決方案。

問：這個晶圓系統(tǒng)預(yù)計在 2026/2027 年問世嗎？

答：我們已經(jīng)進(jìn)行了有限的生產(chǎn)，但正如您所指出的，您知道會有更多的 AI 高性能客戶希望利用這種系統(tǒng)級集成來滿足他們未來的需求。

問：您說的是 3 倍光罩、4.5 倍光罩和 40 倍光罩，那么未來，由于技術(shù)（高數(shù)值孔徑 EUV）的發(fā)展，光罩尺寸必須變得更小，我們是否會說將這個數(shù)字翻倍？

答：我希望我們不必縮小標(biāo)線尺寸！我們看到的是人們希望將它們?nèi)考稍谝黄?，以便它們能夠緊密協(xié)作。

問：那么這是否意味著當(dāng)我們獲得更高效的工藝節(jié)點技術(shù)時，對計算能力的需求總是在增加？您現(xiàn)在說我們處于晶圓級封裝。極限在哪里？

答：天空是極限。我認(rèn)為我們將不斷看到對節(jié)能計算的需求趨勢——它是永無止境的。如果我們談?wù)摰氖侨斯ぶ悄苣Ｐ?nbsp;ChatGPT，GPT4 已經(jīng)使用了很多訓(xùn)練人工智能芯片。因此，我們將繼續(xù)在晶體管級別擴(kuò)展我們的能力——明年我們將有 3nm，然后我們將轉(zhuǎn)向 2nm，我們的 A16 將繼續(xù)在晶體管級別推動節(jié)能計算。同時，我們討論 CoWoS 以擴(kuò)展晶圓級集成。我們還將把光信號引入封裝中。把所有這些放在一起，我們實際上是在談?wù)摓榭蛻籼峁┢脚_，使他們能夠集成更多的計算功能和更多的內(nèi)存帶寬，以滿足未來的人工智能需求。

問：當(dāng)我與集成板載光學(xué)元件的公司交談時，他們正在與你們的競爭對手進(jìn)行代工。但你們已經(jīng)從事光學(xué)元件行業(yè)一段時間了，而且你們擁有這項新技術(shù)。

答：它是緊湊型通用光子引擎，也就是 COUPE 的縮寫。

我們從事硅光子學(xué)已經(jīng)有一段時間了。實際上，我們已經(jīng)為客戶制造了組件，他們將硅光子學(xué)與電收發(fā)器組合在一起，形成了數(shù)據(jù)中心廣泛使用的光學(xué)可插拔收發(fā)器。

但我們今天所做的是更進(jìn)一步，利用我們最先進(jìn)的 3D 堆疊技術(shù)。我們使用混合鍵合技術(shù)將電子芯片和光子芯片更緊密地結(jié)合在一起，形成一個小尺寸的光學(xué)引擎。這就是進(jìn)行電子到光子轉(zhuǎn)換的地方。我們知道電子擅長計算，但光子在信號傳輸方面更勝一籌。因此，通過構(gòu)建這種緊湊型光學(xué)引擎，我們將它集成到先進(jìn)的封裝中，無論是今天的基板，還是未來可以利用 CoWoS 之類的東西將它們結(jié)合在一起，以顯著提高帶寬和功率效率。如果你看看今天的純銅全電子系統(tǒng)，50Tb/s 交換機(jī)可以消耗超過 2000 瓦的功率。因此，通過使用這種微小的小型光學(xué)引擎，我們實際上可以將功率降低至少 40%。因此，這對于以最低功率實現(xiàn)高數(shù)據(jù)帶寬非常有效。

問：您最終是否會有一些客戶想要晶圓級技術(shù)，而一些客戶則想要光學(xué)技術(shù)？

答：是的，但我認(rèn)為關(guān)鍵是將它們結(jié)合在一起，因為計算仍然必須由電子完成。

問：所以你說的是擁有兩個獨立的芯片，即電子芯片和光學(xué)芯片，并使用最先進(jìn)的混合鍵合技術(shù)將它們鍵合在一起，而一些公司表示我們實際上希望將所有這些都放在同一個芯片上。你們能做到嗎？

答：在先進(jìn)的電子芯片上實現(xiàn)某些光子特性非常困難，單片芯片也很難實現(xiàn)。但是，我認(rèn)為通過使用我們的混合鍵合技術(shù)，我們可以實現(xiàn)幾乎與單片解決方案類似的連接性和功率效率，同時它還允許我們分別優(yōu)化電子芯片和光子芯片。我認(rèn)為這就是兩全其美的方法。

問：您談到了用于網(wǎng)絡(luò)方面的可插拔收發(fā)器，但我們在這里討論的更多是集成光子學(xué)、直接將芯片對芯片集成到封裝中。那么可插拔版本呢？

答：實際上，現(xiàn)在已有可插拔版本，如果你看看今天的數(shù)據(jù)中心，你會發(fā)現(xiàn)，使用可插拔版本是主流做法。在板級，是的。因此，你可以在板級將電子轉(zhuǎn)換為光子。因此，未來，你將在芯片內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，從芯片發(fā)出的信號已經(jīng)將電子轉(zhuǎn)換為光子。這就是效率所在。

問：但是它能實現(xiàn)可插入嗎？

答：它已經(jīng)是可插拔的；它有一個光纖，你可以把它插入你的芯片。你只是不想把它拿出來！

問：我最近參觀了一家晶圓廠，看到了 ASML 最新最棒的產(chǎn)品——新一代高數(shù)值孔徑 EUV 機(jī)器。英特爾在談?wù)撨@項技術(shù)時直言不諱，并表示他們想成為第一個部署這項技術(shù)的公司。臺積電在高數(shù)值孔徑方面的官方立場是什么？

答：讓我們回顧一下——臺積電在將 EUV 引入大批量生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位。回到我們的 7nm 代，我們是業(yè)內(nèi)第一個將 EUV 引入 HVM（大批量生產(chǎn)）環(huán)境的公司。就 EUV 的生產(chǎn)使用和生產(chǎn)效率而言，我們今天仍然處于領(lǐng)先地位。我認(rèn)為我們的研發(fā)團(tuán)隊將繼續(xù)研究新的 EUV 功能，顯然包括高 NA EUV。我們將選擇正確的位置來****我們的技術(shù)節(jié)點。你必須考慮很多因素，顯然是可擴(kuò)展性因素，還有成本可制造性因素。

問：你們還討論了擴(kuò)大全球生產(chǎn)，并宣布在全球建立多家新工廠。進(jìn)展如何？

答：進(jìn)展非常順利，而且速度也非常快?？纯次覀兊闹圃熳阚E，就會發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)擴(kuò)大了不少。僅在過去幾年，我們的亞利桑那州工廠就迅速擴(kuò)張。我們建造了第一家專注于 4nm 的工廠，明年將投入生產(chǎn)。我們還在那里建造了第二家工廠，并宣布在那里建造第三家工廠。我們將繼續(xù)將最先進(jìn)的節(jié)點帶到北美，因為那里是我們最大的客戶群。從 4nm 到 3nm，再到 2nm，甚至未來的 A16。這非常令人興奮！

與此同時，我們正在日本和歐洲拓展我們的專業(yè)技術(shù)。在日本，熊本項目進(jìn)展順利，我們將在今年下半年投產(chǎn)。我們將引進(jìn)最先進(jìn)的 MCU 嵌入式非易失性存儲器，這對歐洲的汽車行業(yè)非常重要。

問：這是否以某種方式延伸到封裝？

答：我們正在評估這個選擇，但與此同時，我認(rèn)為現(xiàn)在我們正在與我們的合作伙伴密切合作，以提高在美國的生產(chǎn)能力。

問：因為我們正在談?wù)搶θ斯ぶ悄芎蜋C(jī)器學(xué)習(xí)的需求，您是否通過您的客戶看到臺積電的研發(fā)更加側(cè)重于滿足這些客戶的需求？

答：人工智能正在成為全球主要的技術(shù)平臺，消耗著最先進(jìn)的硅片。但別忘了移動領(lǐng)域。移動領(lǐng)域仍然是一個大宗消費領(lǐng)域，它也需要最先進(jìn)的技術(shù)。因此，我們正在通過針對不同應(yīng)用和細(xì)分市場的優(yōu)化技術(shù)來滿足所有需求。我們的研發(fā)部門與不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同客戶密切合作。所以我認(rèn)為這是一件非常令人興奮的事情。我們將繼續(xù)推動我們的技術(shù)定制，以滿足未來的產(chǎn)品需求。