台积电将在亚利桑那州制造3nm半导体

台湾半导体制造公司（TSMC）宣布计划进一步缩减其工艺节点技术。据报道，台积电将在其亚利桑那州的芯片制造厂生产3纳米芯片。一些报道甚至表明，台积电也有生产1nm芯片的计划。

 

节点扩展在行业中的地位

3nm工艺是低于5nm技术节点的下一个晶粒尺寸，几个大的行业参与者正在争先恐后地大规模生产它。更小的节点允许在给定的区域上放置更多的晶体管，从而提高功率效率。

台积电的第一代3nm芯片将在大幅提高性能的同时，将功耗降低近一半。

 

2018年，台积电在其位于台湾新竹的总部看到的标志。图片由Reuters/Tyrone Siu通过Flickr提供

 

在过去的几十年里，芯片制造商试图在越来越小的表面上挤压更多的晶体管；然而，芯片规模几乎已经达到了极限。为了扩展摩尔定律，工程师们研究了其他2D材料来取代硅，并将芯片推进到1nm及更低。

 

三星首次大规模生产3nm半导体

韩国科技巨头三星电子（Samsung Electronics）于6月开始在其华城和平泽半导体工厂大规模生产3nm芯片，这是全球第一家这样做的工厂。

该公司的目标是到2030年在逻辑芯片和代工业务上投资1320亿美元，并计划在德克萨斯州建造一家半导体工厂。该公司目前正在生产第一代3nm芯片，并计划在2023年开始生产第二代3nm工艺。

作为世界上最大的代工厂，台积电紧随三星之后，计划在其亚利桑那州的工厂生产3纳米芯片，并建立第二家工厂。台积电的扩张计划是拜登政府支持美国芯片制造战略的一部分。该公司4月表示，计划在未来三年投资1000亿美元扩大芯片制造能力，计划到2025年生产200万片芯片。

与此同时，2022年4月，英特尔宣布了其制造工艺计划，从英特尔7转移到英特尔18A；相对于功耗，每个步骤都提供了改进的性能。虽然英特尔目前落后于台积电和三星，但它希望在2025年前赶上并超越它们。

 

台积电3nm领先：FinFlex技术

台积电将其名为N3的3nm技术描述为其现有5nm产品的全节点跨越。N3芯片采用FinFlex技术，使工程师能够在一个块内混合和匹配不同类型的标准电池，以优化性能、功耗和面积（PPA）。

 

显示台积电专用铸造工艺技术演变的图表。图片由台积电提供。（点击图片放大）

 

FinFlex技术在具有许多核心的复杂设计中尤其有益，例如CPU和GPU。与5纳米相比，台积电声称新技术节点将提供高达70%的逻辑密度增益，在相同功率下提高15%的速度，在相同速度下降低30%的功率。

台积电希望N3将代表PPA和晶体管技术中最先进的铸造技术。N3技术还将为移动和HPC应用程序提供完整的平台支持。

 

台积电计划在亚利桑那州缩减至3nm

台积电正在亚利桑那州建造一座价值120亿美元的工厂。在2024年新工厂的第一阶段，台积电将生产5纳米芯片。该公司表示，计划最初每月使用5纳米工艺生产约20000个芯片。下一阶段将生产3nm芯片，但尚未最终确定。

尽管由于劳动力成本和疫情相关的供应链问题，该工厂的建设成本高于预期，但它仍有望满足台积电在该地区客户的需求。

 

1nm芯片生产进展

台积电最近与台湾大学（NTU）和麻省理工学院（MIT）合作，在开发1nm芯片方面取得了进展。

 

台积电位于台中中央台湾科技园区的一家工厂。图片由Briáxis F.Mendes通过Wikimedia Commons提供

 

麻省理工学院首先发现了1nm芯片技术的可行性，随后台积电和南大电气工程与光电系对该工艺进行了优化。麻省理工学院的研究人员发现，使用半金属铋作为接触电极可以降低电阻并增加电流，从而提高能源效率。这一联合声明胜过了IBM此前关于其2nm芯片性能的声明。

据报道，台积电计划在桃园龙潭区的一个工业园区建造一座1纳米晶圆厂。该工厂由新竹科技园运营，台积电已经在那里运营了两家半导体封装和测试工厂。虽然TMSC尚未证实或否认该报告，但已确认将继续投资台湾的先进芯片制造业。

虽然1nm芯片可能还没有准备好大规模生产，但当它问世时，它将为电动汽车、人工智能和其他技术带来进一步的节能和更高的速度。