台積電 A14 第二代 GAA 工藝解讀

今天小編分享的科技經驗：台積電 A14 第二代 GAA 工藝解讀，歡迎閲讀。

#01

A14 工藝：技術亮點深度剖析

1、晶體管技術更新：從 FinFET 到 GAAFET

A14 工藝采用的第二代 GAAFE 納米片晶體管相較于傳統的 FinFET 晶體管，在性能和功耗方面有顯著優勢。GAAFE 能夠更好地控制 leakage，提高晶體管的開關速度和性能，nanosheet 的設計使得電流控制更加精細，從而實現更高的性能和更低的功耗。

在最新的 IEEE 論文中，研究人員指出，GAAFET 技術在 1.4 nm 制程下能夠顯著降低短溝道效應的影響，這對于維持晶體管的高性能至關重要。與 FinFET 相比，GAAFET 在相同尺寸下能夠實現更高的電流密度和更低的漏電，這對于高性能計算和低功耗應用來説是一個巨大的進步。

2、性能提升的多維度影響

A14 工藝在相同功耗下能夠提供高達 15% 的速度提升，或者在相同速度下減少最多 30% 的功率消耗。這一性能提升不僅意味着芯片運算速度加快，對于支持高性能計算和復雜算法的設備，如數據中心的伺服器、科研機構的超級計算機等，能夠更快地處理大規模數據和復雜計算任務，大幅提升工作效率。

在移動設備領網域，如智能手機和平板電腦，功率消耗的減少尤為重要。它不僅可以延長電池續航時間，還能降低設備的散熱壓力，提高設備的穩定性和可靠性。根據國内外的研究，低功耗設計已經成為未來移動設備發展的關鍵趨勢，而 A14 工藝的低功耗特性正好契合了這一需求。

3、邏輯密度提升的意義

A14 工藝的邏輯密度提高了 20% 以上。這意味着在相同芯片面積上可以集成更多的晶體管，從而實現更復雜的功能和性能提升。這為芯片設計提供了更大的靈活性，能夠滿足各種不同應用場景對芯片功能的要求。

例如，人工智能芯片需要在有限的芯片面積上集成大量的神經網絡計算單元，以實現高效的影像識别、語音識别等功能。A14 工藝的高邏輯密度特性使得這種集成變得更加可行，為人工智能技術的進一步發展提供了硬體支持。

#02

A14 工藝的制造流程分析

1、硅片制備

非常成熟工藝，和其他制程差别不大，不過多介紹。

2、光刻與刻蝕

光刻是半導體制造中最為關鍵的步驟之一。在光刻過程中，光刻機将 Mask 上的圖案投影到塗有光刻膠的硅片上，通過曝光和顯影工藝，将圖案轉移到光刻膠層上。随後，刻蝕工藝利用化學或物理方法去除光刻膠未覆蓋的硅片部分，從而在硅片上形成所需的圖案。

對于 A14 工藝，極紫外光刻（EUV）技術的應用至關重要。EUV 光刻能夠實現更精細的圖案轉移，滿足 1.4 nm 高精度要求。然而，EUV 設備的更新和維護成本極高，這也是 A14 工藝量產面臨的技術挑戰之一。

3、TF

薄膜沉積是半導體制造中的另一個關鍵步驟。在薄膜沉積過程中，通過CVD、ALD或PVD等方法，在硅片表面形成所需的薄膜。

對于 GAAFET，薄膜沉積的質量直接影響到晶體管的性能。例如，nanosheet，以确保栅極對溝道的有效控制。此外，薄膜沉積過程中還需要考慮材料的兼容性和熱穩定性，以避免在後續工藝中出現缺陷。

由于量子限制效應、圓角效應和薄溝道效應，需要多大量的 DOE 和設計質量控制。對工藝質量協調一致要求要求很高。

4、互連與封裝

互連和封裝是半導體制造的最後兩個步驟。互連工藝通過金屬線将芯片上的各個晶體管連接起來，實現電路的功能。封裝工藝則将芯片封裝在保護外殼中，提供機械保護、散熱和電氣連接等功能。

對于 A14 工藝，互連和封裝技術也需要進行相應的更新。例如，CoWoS 封裝技術的推進，9.5 倍光罩尺寸的提升是一個巨大的進步。更大尺寸的光罩能夠整合更多的 HBM 堆疊，HBM（高帶寬存儲器）在數據中心和人工智能訓練等領網域有着至關重要的作用。通過增加 HBM 堆疊數量，可以大幅提高數據傳輸速率和存儲容量，滿足高性能計算對數據存儲和傳輸的高要求，提升整個系統的處理效率和性能。

#03

技術布局的全面性和前瞻性

1、封裝技術的突破

TSMC 計劃在 2027 年開始量產 9.5 倍光罩尺寸的 CoWoS 封裝技術。這一技術能夠整合 12 個或更多的 HBM（高帶寬存儲器）堆疊，這對于數據中心和人工智能訓練等領網域有着至關重要的作用。

HBM 在高性能計算中扮演着關鍵角色，它能夠提供極高的數據傳輸速率和存儲容量。通過增加 HBM 堆疊數量，CoWo 可以大幅提高系統的處理效率和性能。根據 IEEE 的相關研究，這種封裝技術的進步将為未來高性能計算架構的設計提供新的思路。

2、多領網域技術協同發展

該公司透露其在2024年第四季度開始生產基于性能增強型N3P（第三代3nm級）工藝技術的芯片。N3X芯片預計将于今年下半年量產。與N3P相比，N3X有望在相同功率下将最大性能提高5%，或在相同頻率下将功耗降低7%，并支持高達1.2V的電壓。

TSMC 在不同領網域的技術布局體現了其對半導體行業多領網域發展趨勢的精準把握。N4C RF 射頻技術、N3A 技術以及 N4e 工藝等的應用，覆蓋了智能手機、汽車電子和 IoT 等多個重要領網域。

在智能手機領網域，N4C RF 技術支持新興的無線通信标準，如 WiFi-8。這将為用户帶來更高速、更穩定的無線網絡連接，同時也為設備制造商提供了更大的創新空間。根據國内外的研究，無線通信技術的不斷進步将推動智能手機向更智能化、更便捷化的方向發展。

在 IoT領網域，N4e工藝的發展致力于提高邊緣AI技術的能源效率。這對于IoT設備在能源受限環境下的廣泛應用具有重要意義。根據IEEE的相關論文，低功耗、高性能的芯片設計是未來IoT發展的關鍵，而TSMC的這一技術布局正好契合了這一需求。

#04

A14 工藝在 Robot 領網域的應用與影響

1、HPC 與 Robot

TSMC 在技術研讨會上展示了一張人形機器人注了所需的各種先進芯片。這表明，A14 工藝的高性能和低功耗特性使其成為 Robot 技術的理想選擇。Robot，尤其是人形機器人的傳感器，需要處理大量的傳感器數據、進行復雜的運動控制和實時決策，這都需要強大的計算能力。A14 工藝能夠提供高達 15% 的速度提升和 30% 的功耗降低，這對于 Robot 在電池續航和實時性能方面是一個巨大的進步。

2、高密度集成與 Robot

A14 邏輯密度提升了 20% 以上，這意味着可以在更小的芯片面積上集成更多的功能。這對于 Robot 的設計尤為重要，因為 Robot 需要在有限的空間内集成多種功能，如傳感器、處理器、通信模塊等。高密度集成不僅可以提高 Robot 的性能，還可以減小 Robot 的體積，使其更适合在各種環境中工作。