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解析下一代iPhone将采用的台积电N3E芯片技术

作者:陈玲丽时间:2022-09-15来源:电子产品世界收藏

据国外媒体报道,苹果目前正在研发的A17处理器将使用制造技术进行大规模生产,并且很可能是首发用于A17处理器,包括之后的苹果M系列

本文引用地址:/article/202209/438206.htm

不难预测苹果在2023年下半年上市的 15系列将延续 14和 14 Pro这种处理器差异化,明年可能同样是仅iPhone 15 Pro Max和iPhone 15 Pro配备3nm工艺的A17,而普通版依然是N4的A16芯片。

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N3制程将进入量产阶段

此前强调,台积电N3(3nm)制程在完成技术研发及试产后,下一代3nm移动处理器节点将很快投入量产。之前预计第三季下旬投片量将大幅拉升,第四季月投片量将达上千片水准,开始进入量产阶段。不过时间来到九月,目前还没有台积电正式开始量产N3芯片的消息。

台积电N3制程仍延用FinFET晶体管架构,其主要优势在于可充分发挥EUV技术优异的光学能力,以及符合预期的良率表现,减少光罩缺陷及制程堆栈误差,并降低整体成本。

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目前,芯片设计人员必须使用一种晶体管类型。但是到了3nm节点,这种设计方法使用起来会比现有技术更昂贵。所以针对N3制程,台积电推出了FinFlex技术 —— FinFlex技术允许芯片设计人员在一个模块内混合和匹配不同类型的FinFET,以实现更高的性能、更高的密度和更低的功耗。

基于FinFET工艺,芯片设计人员可以在使用不同晶体管的不同库之间进行选择:当需要以牺牲性能为代价来最小化芯片尺寸并节省功耗时,使用双栅极单翅片鳍式FET;当需要在芯片尺寸和更高功耗的权衡下最大限度地提高性能时,会使用三栅极双翅片晶体管;当需要更平衡的参数时,可以使用双栅极双翅片鳍式FET。

FinFlex是优化N3节点性能、功耗和成本的好方法,这项技术使FinFET的灵活性更接近于基于纳米片的GAAFET,后者可提供可调节的通道宽度,以获得更高的性能或更低的功耗。

值得注意的是,FinFlex不能替代节点专业化(性能、密度、电压),因为工艺技术比单一工艺技术中的库或晶体管结构有更大的差异。

随着制造工艺变得越来越复杂,它们的寻路、研究和开发时间也变得越来越长,因此我们不再看到台积电和其他代工厂每两年就会出现一个全新的节点。在N3中,台积电的新节点引入节奏将扩大到2.5年左右。

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这意味着台积电将需要提供N3的增强版本,以满足其客户的需求,这些客户仍在寻求每瓦性能的改进以及晶体管密度每年左右的提升。在2022年台积电技术研讨会上,出的四种N3衍生制造工艺(总共五个3nm级节点)—— 、N3P、N3S和N3X。

台积电及其客户需要多个版本的N3的另一个原因是,它的N2依赖于使用纳米片实现的全新栅极环绕场效应晶体管(GAA FET),预计这将带来更高的成本、新的设计方法、新IP和许多其他变化。

虽然尖端芯片的开发人员将很快转向N2,但台积电的许多普通客户将在未来几年坚持使用各种N3技术。与台积电的N7和N5一样,N3将成为世界上最大的半导体对比度制造商的另一个持久节点系列。

台积电N3E是N3的升级版

根据台积电的说法,与N5工艺相比,N3工艺可降低约25-30%的功耗,性能提升10-15%,晶体管密度提升约70%。但N3工艺存在一个天然缺陷,那就是只适合制造特定的产品,较高的成本也让人望而生怯。

N3是为特定类型应用量身定制的,因此它的工艺窗口相对较窄(产生确定结果的一系列参数),在良率方面并不适合所有应用。这就轮到N3E上场了。

据悉,台积电的N3E技术是目前第一代3nm技术(N3)的升级版,台积电首席执行官透露,“N3E将进一步扩展我们的N3系列,提高性能、功率和良率。我们观察到N3E的客户参与度很高,量产计划在N3之后一年左右,或者大约明年这个时候。”

泄露出的台积电PPT显示,新一代N3E工艺良率超过预期,其中N3E的256Mb SRAM平均良率约为80%,移动设备以及HPC芯片的良率也为80%左右,而环式振荡器良率甚至能超过92%。业界认为N3E工艺量产时间将会提前到23Q2,而且将会成为各大厂商明年新品的量产主力。

与N5相比,N3E的功耗(在相同的性能和复杂性下)将降低34%或性能提高18%(在相同的功耗和复杂性下),并将逻辑晶体管密度提高1.6倍。但权衡是该节点的逻辑密度略有降低:据了解N3E在N3基础上减少了EUV光罩层数,从25层减少到21层,逻辑密度低了8%。总的来说,N3E看起来是比N3更通用的节点。

在今年8月份,就有爆料称台积电内部决定放弃N3工艺,因为客户都转向了2023年下半年量产降本的N3E工艺,其中放弃的客户中就包括了苹果。只不过截至目前,苹果方面都还没有对A17芯片工艺的诸多消息做出官方表态。

而依据这一次的最新消息,除了A17芯片,部分Mac电脑的芯片也将采用N3E工艺。此外,知情人士还透露称,作为台积电另一大客户的英特尔,已经将3nm芯片的订单推迟到2024年或者更靠后。

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苹果之前也一直被传将会使用台积电的3nm工艺,所以之前一直传的M2芯片将会使用3nm工艺的传言,也在M2芯片发布的时候被不攻自破,但是苹果仍然是表示之后会成为台积电的3nm工艺客户。

N3E工艺之所以能够成为大家想要的,除了技术的升级之外,还和良品率有很大的关系,良品率一直都是这些大企业在供应商上面挑选的一个很大的点。

3nm制程竞赛谁会是冠军

3nm制程的复杂度比7nm和5nm更高,且对资金、人力等各种资源的要求更高,当下,也只有三星和台积电能够延续这一游戏。

然而,三星的良率问题一直困扰着它,这也是之前7nm、5nm制程一直被台积电压制的主要原因,争取在良率方面有质的飞跃,从而赢得更多客户的信心是三星必须解决的问题。

英特尔的新GPU会在明年采用台积电的3nm制程,AMD的Zen 5架构部份产品已确定采用台积电3nm制程,不过也要等到2024年。此外,英伟达、联发科、高通、博通等大客户,同样会在2024年采用3nm制程量产各自的新产品。

对此台积电回应指出:“台积公司不评论个别客户业务。公司产能扩充项目按照计划进行。”另外,调研机构以赛亚调研也指出,3/5nm等先进制程有八成左右是共用机台,因此台积电可以根据其他制程客户的需求弹性调配。

这样一来,三星似乎就多了一些时间去争取客户,相对于在7nm、5nm量产时的客户争夺战而言,三星在3nm处的操作空间或许更大一些。

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同时由于客户产品日程的推迟,台积电决定放慢扩产进度,以确保产能不会过度闲置,导致巨大的成本摊销压力。除了正式通知设备供应商公司有意调整2023年设备订单外,由于3nm扩产成本高昂,集邦咨询预计此举还将影响台积电2023年CapEx计划的部分内容。因此,台积电2023年的资本支出规模可能低于2022年。

面对三星的追赶,台积电也是压力山大,不进则退,该公司每年都在增加资本支出,其中一大部分都是用于最先进制程工艺的研发和晶圆厂建设。不过,这样的高投入是否能够长期延续下去,还要画一个问号。未来,在投入新技术研发和成本控制之间的平衡,或许会成为一个越来越重要的课题。

要想实现3nm制程量产,巨额投入是必不可少的,特别是购买相关设备的资金量巨大,即使是台积电这样的厂商也不得不精打细算。为了控制成本,台积电专门制定了EUV改善计划,并改良EUV光刻机设计,以及导入先进封装,以求更多客户愿意采用3nm制程。

值得一提的是,台积电今年7月实现营收1867亿新台币,同比增长49.9%,环比增长6.2%。今年前7个月,营收总计1.21万亿新台币,同比增长41.1%。展望下个季度,台积电预估第3季合并营收在198亿-206亿美元。随着台积电的客户推出3nm制程的产品,将为台积电2024年的营收表现注入动力。



关键词: iPhone 台积电 N3E 芯片

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