•
台積電（TSMC）關於下一代晶圓代工廠的訪談紀實
台積電資深副總裁兼副營運長張曉強於2024年7月26日接受了知名產業分析師Dr. Ian Cutress的專訪。在這次深度對話中，張曉強就摩爾定律的現狀、台積電的先進製程技術、人工智慧晶片的需求激增以及矽基光伏子技術的發展前景等熱門話題發表了見解。整個訪談既展現了張曉強詼諧幽默的一面，也體現了他對半導體產業的深刻洞察與務實態度。以下是為逍遙科技公眾號的讀者整理的訪談紀實。
問答紀要
-Q ：當執行長們就計算的未來發表演講時，有些人說摩爾定律已經失效。他們說他們必須在架構方面進行創新，因為他們在封裝和製程節點技術方面沒有取得太多進展。台積電對此持什麼立場？
-A ：好吧，我的簡單回答是──我不在乎。只要我們能夠繼續推動技術擴展，我不在乎摩爾定律是死是活。
但現實情況是，許多人根據二維擴展對摩爾定律進行了狹義定義——現在情況已經不同了。縱觀我們行業中的創新激情，我們實際上仍在不斷尋找將更多功能和性能整合到更小尺寸中的不同方法。我們仍在不斷提高性能和能源效率。因此，從這個角度來看，我認為摩爾定律或技術擴展將繼續存在。我們將持續創新，推動產業發展。
-Q ：那我們應該重新定義摩爾定律嗎？我們應該制定新的定律嗎？
-A：（笑）我會讓其他人定義。
-Q ：台積電以製程節點更新的漸進式創新而聞名－你們先有一個主要的製程節點，然後在此基礎上進行細微的改進。您認為台積電的成功在多大程度上歸功於這種漸進式策略？
-A ：嗯，我不太喜歡「漸進」這個詞！如果你看看我們的技術路線圖，從5奈米到3奈米，現在從3奈米到2奈米，如果你看看能源效率的提升，那可不是漸進式的。每一世代都有超過30%的提升。但在主要節點之間，我們仍在繼續推動漸進式改進。我們這樣做的原因在於，我們允許客戶繼續從每一代新技術中獲益。因此，在主要節點之間——是的，我們繼續推動增量發展。但在主要節點之間，效能、密度方面的提升非常顯著。
-Q ：這是否是因為當客戶進入一個主要節點時，他們需要投入大量前期成本來開發晶片？透過利用這些主要節點的更新，他們可以沿用相同或至少相似的設計，而無需花費大量資金？
-A：是的。例如，我們的客戶升級到5奈米後，他們可以繼續利用從N5到N5P的增量增強，當性能提升後，他們可以升級到N4和N4P，從而進一步提高密度。因此，在升級到主要節點後，這些增量增強使我們的客戶能夠繼續收穫規模和前期投資。
-Q ：這些對主要節點的改進中，有多少是出於內部外向設計，有多少是出於客戶的需求？
-A：我們與客戶密切合作，選擇合適的技術節點來支援他們的產品。這通常是基於特定的產品設計，以確定他們可以在那些方面實現最佳的產品水平效益。因此，我們與客戶密切合作，做出正確的選擇。
-Q ：客戶有沒有提出讓您驚訝的要求？
-A： 沒有。我們不希望客戶提出意外要求。事實上，我們與客戶密切合作—我們與客戶坦誠相待，確保他們選擇正確的技術。請記住，我們採用的是代工業務模式。我們的目標是幫助客戶成功推出產品。我的老闆經常對我說：「 Kevin ，你知道，我們從事代工業務，我們合作，我們成功，但有一個順序，客戶必須先成功，然後我們才能成功」。
-Q ：我們正在參加台積電歐盟技術研討會；你們剛剛舉行了美國研討會。主要發表的是新的主要節點A16 ，以及與該代產品一同推出的全新超級電源軌技術。這些技術帶來了那些優勢？
-A：A16是重大技術改進，具有革命性意義，可為未來高性能應用（尤其是針對HPC和AI的應用）帶來更強大的性能和更卓越的性能。 A16採用奈米片電晶體，這是業界領先且最先進的電晶體架構。
同時，我們也增加了非常創新的背面電源軌設計。讓客戶將電源布線從正面移到背面，從而騰出空間來提高效能，同時改善電源。我們的方法與BSPDN的傳統設計截然不同——在傳統的背面電源軌中，需鑽一個孔，將背面的金屬連接到正面的金屬。這樣做會佔用空間，而且必須擴大單元庫的佔地面積。但在我們的設計中，我們採用了非常創新的方法——在不改變單元庫佔地面積的情況下，將接觸點或電晶體、電晶體的源極移到背面。因此，這種巧妙的方法讓我們能夠保持佔地面積，為客戶提供最大的靈活性。
-Q ：為了實現這一點，傳統製造步驟是否有些混亂？
-A：我不想討論這個具體流程，因為我們的研發團隊會不高興，但確實如我剛剛描述。
- Q ：這非常類似於三明治設計，即電晶體、訊號和電源。這肯定會增加製造成本吧？
-A：當然，這肯定會增加成本，但如果你看看密度、功率和性能優勢，我認為成本是可以負擔的。這對於HPC和AI應用尤其重要，因為節能計算是這些應用的關鍵驅動力。
-Q ：如果有人選擇A16節點，是否必須搭配超級電源軌？
-A：A16根據定義將配備超級電源導軌，是的。但我們確實提供了技術選項，讓我們的客戶可以繼續利用現有的設計配件，而不必使用背面電源。例如，行動應用中的電源布線強度不高，就不必使用背面電源。
-Q ：通常在這些活動中，無論是您還是您的競爭對手，都會在投產前幾年發佈消息。那麼，A16預計何時推出？
-A：因此，我們計畫在2026年下半年為A16的主要客戶投入生產。
- Q ：這是否意味著PDK目前處於0.1版本？
-A：我不想詳細討論我們的附屬計畫，但總的來說，附屬計畫是針對客戶的生產日期而制定的。正如我之前所說，我們希望A16能在2026年下半年投入生產。因此，我們的附屬計畫將支援這種時間表。
-Q ：我們預計所有這些產品都在台灣生產嗎？
-A：A16將在台灣開始生產。
-Q ：去年，您提出了FINFLEX這個概念——即透過N3和優化散熱片數量來決定是追求高性能還是高效率。現在，您正在用N2做NanoFlex 。NanoFlex與FINFLEX有何不同？
答：這是非常創新的方法。你可能聽說過設計-技術協同優化（DTCO），我們繼續推動設計和技術之間的協作，以進一步優化我們的技術產品。對於FINFLEX，在鰭狀晶體管架構中，鰭的數量是數位化的。因此，在過去，在採用這種創新的FINFLEX方法之前，你必須使用三個鰭或四個鰭，你不能輕易地互換它們。我們的FINFLEX技術在3奈米時允許設計師混合搭配不同的基於鰭的庫設計，但對於奈米片，我們稱之為NanoFlex。這是類似的想法，允許設計師混合搭配不同高度的庫，但它們有不同的片寬，因此您可以交替使用不同的尺寸。不同高度的庫將允許設計師根據特定的設計目標進行選擇，以實現更高的功率、性能和密度。
-Q ：那麼奈米片結構還是三片高，這似乎是業界標準？
-A：是的，但您可以改變薄片的寬度，這決定了庫的高度。
- Q ：那麼顯然這意味著你們也有不同的VT選項？NanoFlex和VT ？
-A： 是的，身為設計師，您有很多選擇！
- Q ：CoWoS （晶圓上晶片）的需求量很大——我們只需看看NVIDIA 、AMD和英特爾的需求量就知道。你們在滿足市場需求方面進展如何？CoWoS的擴展進展如何？
-A：對我們來說，CoWoS是AI加速器的核心。縱觀當今所有大型AI加速器設計，它們幾乎都基於TSMC N5或N4技術以及CoWoS。 CoWoS的需求量很大！去年，AI的興起讓很多人（包括我們自己）感到驚訝。過去一年，CoWoS的需求量激增。
我們正在迅速擴大CoWoS產能，我認為我們所說的複合年增長率遠遠超過60%。這個數字非常高，但仍在持續成長。我們與客戶密切合作，確保滿足他們最關鍵的需求。但這是產能方面，CoWoS是內部能力。我們也在擴大CoWoS產能。
如果您看一下當今最先進的AI加速器，CoWoS中介層的大小大約是掩膜版大小的3倍，而掩膜版的大小約為800mm2——這提供了整合全掩膜版大小的SoC以及多達8個HBM堆疊的能力。但未來，也就是從現在起兩年後，我們將能夠將中介層尺寸擴展到遮罩尺寸的4.5倍，讓我們的客戶可以整合多達12個HBM堆疊。我們不會就此止步。我們的研發團隊已經開始將CoWoS中介層尺寸擴展到遮罩尺寸的7倍或8倍。
-Q ：12個HBM堆疊是否足夠？我經常聽說人們想要更多。
-A ：因此，在本次研討會上，我們也宣佈了另一項創新的系統級整合技術，我們稱之為「晶圓系統」（ SoW）。如果您仔細想想，晶圓加工設備能夠加工的最大尺寸是單一300mm晶圓，因此我們將晶圓作為基礎層，將所有邏輯和高頻寬DRAM整合到整個晶圓區域。
因此，如果用CoWoS術語來衡量，中間層尺寸的「 X」的數量，即40x，是如此巨大。我們為客戶提供的是，繼續整合更多的運算功能、更多的記憶體頻寬，以滿足未來的AI需求。
-Q ：眾所周知，目前有兩家主要公司（Cerebras和Tesla ）正在研究晶圓級技術，而它們都使用您的技術。在冷卻和電源管理方面，您能為客戶提供多少協助？
-A ：我們與客戶密切合作－我們進行晶圓級整合。客戶顯然需要設計系統級後端，以確定如何將冷卻劑引入系統。顯然，你們有很多合作——我們與客戶密切合作，共同尋找最佳散熱解決方案。
-Q ：這個系統級晶圓預計在2026/2027年推出？
-A：我們已經進行了有限的生產，但正如您所指出的，您知道會有更多人工智慧高性能客戶希望利用這種系統級整合來滿足他們的未來需求。
-Q ：您剛才提到了3倍、4.5倍和40倍的reticle ——未來，當reticle尺寸因技術（高數值孔徑極紫外光）而必須變小時，我們是否需要將這個數字加倍？
-A：我希望我們不必縮小reticle尺寸！我們看到的是人們希望將它們全部整合在一起，以便它們緊密地協同工作。
- Q ：那麼，這是否意味著，隨著製程節點技術的不斷進步，對運算能力的需求也不斷增加？您剛才說我們正處於晶圓級封裝階段。極限在那裡？
-A ：沒有極限。我認為，在節能運算需求方面，我們將持續看到這一趨勢——這種需求是永無止境的。如果我們談論的是人工智慧模型ChatGPT，那麼GPT4已經使用了大量訓練人工智慧晶片。因此，我們將繼續在電晶體層面擴展我們的能力－明年我們將推出3奈米產品，然後是2奈米產品，而A16將繼續在電晶體層面推動節能運算的發展。同時，我們正在討論CoWoS技術，以擴展晶圓級整合。我們還將把光學訊號引入封裝中。綜合以上所述，我們實際上是在為客戶提供一個平台，讓他們能夠整合更多的運算功能和更多的記憶體頻寬，以滿足未來的AI需求。
-Q ：當我與整合車載光學元件的公司交談時，他們正在與你們的代工廠競爭對手打交道。但你們已經從事光學元件生產有一段時間了，而且你們還擁有這項新技術。
-A：這就是小型通用光伏子引擎，COUPE就是它的縮寫。
我們從事矽基光伏子技術已經有一段時間了。事實上，我們已經為客戶製造了將矽基光伏子與電子收發器結合在一起的組件——這些組件構成了在資料中心廣泛使用的可插拔光收發器。
但我們今天要做的是更進一步，利用我們最先進的3D堆疊技術。我們使用混合鍵合技術將電子晶片和光伏子晶片更緊密地結合在一起，形成小型光引擎。電子和光伏子在這裡進行轉換。我們知道電子擅長計算，但光子在訊號傳輸方面更勝一籌。因此，透過建造這種緊湊的光學引擎，我們將其整合到先進的封裝中，無論是今天的基板，還是未來可以利用CoWoS之類的技術將它們整合在一起，以顯著提高頻寬和功率效率。 如果您看一下今天的純銅全電子系統，一個50Tb/s的交換器可以消耗超過2000瓦的功率。因此，透過使用這種微型光引擎，我們實際上可以將功耗降低至少40%。因此，在以盡可能低的功耗實現高資料頻寬方面，它非常有效率。
-Q ：最終會有一些客戶想要晶圓級產品，而有些客戶想要光伏子產品嗎？
-A： 是的，但我認為關鍵是要把它們結合在一起，因為計算仍然需要電子來完成。
- Q ：所以您說的是使用兩個獨立的晶片，即電子晶片和光學晶片，然後使用最先進的混合鍵合技術將它們結合在一起，而有些公司表示我們實際上希望將所有這些整合在同一晶片上。這是否可行？
-A ：在先進的電子晶片上實現某些光伏子特性非常困難－製作單晶片非常困難。然而，我認為透過混合鍵合技術，我們能夠實現幾乎與單晶片解決方案相當的連接性和功率效率，同時也能分別優化電子晶片和光伏子晶片。我認為這是實現兩全其美的最佳方式。
-Q ：您剛才提到了用於網路方面的可插拔收發器，但我們現在討論的是整合式光伏子技術，即直接將晶片封裝到封裝中。那麼可插拔版本呢？
-A：實際上，可插拔版本已經存在，如果你看看現在的資料中心，主流做法就是使用可插拔版本。在電路板層面，是的。所以你在電路板層面從電子轉換到光伏子。所以未來，你將在晶片內部進行轉換。所以從晶片出來的訊號已經把電子轉換迴光伏子。這就是效率提升的來源。
-Q ：但這是否可插拔？
-A：它已經可以插拔了；它有一個光纖，你可以把它插入你的晶片。只是你不想把它拔出來！
-Q ：我最近參觀了一家晶圓廠，看到了ASML公司最新、最先進的產品——一台新一代高數值孔徑（NA ）極紫外光（EUV ）設備。英特爾在談論這項技術時非常直率，他們希望成為率先部署這項技術的公司。台積電在高數值孔徑（NA ）方面持什麼官方立場？
-A ：讓我們回顧一下－在將EUV引入大批次生產方面，台積電是領導者。回到我們的7奈米代，我們是業界第一個將EUV引入HVM（大批次生產）環境的。在EUV的生產使用和生產效率方面，我們仍然是今天的領導者。我認為我們的研發團隊將繼續專注於新的EUV能力，包括高數值孔徑（NA）EUV。我們將選擇合適的位置來切入我們的技術節點。有很多因素需要考慮，其中顯然包括可擴展性因素，以及成本可製造性因素。
-Q ：您宣佈將在全球各地新建多個工廠，以擴大全球生產規模，對此也有討
論。進展如何？
-A：進展非常順利。而且速度非常快。看看我們的生產足跡，擴張速度相當驚人。僅在過去幾年裡，我們在亞利桑那州的工廠擴張速度就非常快。我們建造了第一家專注於4奈米製程的工廠，明年將投入生產。我們也在那裡建造了第二家工廠，並宣佈了第三家工廠。我們將繼續將最先進的節點技術引入北美，因為那裡是我們最大的客戶群所在地。從4奈米到3奈米，再到2奈米，甚至未來的A16，這一切都令人興奮不已！
同時，我們正在日本和歐洲擴展我們的專業技術。在日本，熊本計畫進展順利，我們將在今年下半年投產。我們將帶來最先進的MCU嵌入式非揮發性記憶體，這對歐洲的汽車產業非常重要。
- Q ：這會在封裝方面有所體現嗎？
-A：我們正在評估這項方案，但同時，我認為我們目前正與合作夥伴密切合作，提升美國本土的製造能力。
- Q ：因為我們在談論人工智慧和機器學習的需求，您是否透過客戶看到台積電的研發工作正在轉向迎合這些客戶的需求？
-A：人工智慧正成為全球主要的技術平台，需要最先進的矽製程技術。但不要忘記行動裝置。行動裝置仍是需求量最大的產品，同時也需要最先進的技術。因此，我們正在透過針對不同應用和細分市場的最佳化技術來滿足所有需求。我們的研發部門與不同客戶就不同應用展開密切合作。我認為這是非常令人興奮的事情。我們將繼續推動技術客製化，以滿足未來產品的需求。 （逍遙設計自動化）