高性能運算帶頭衝 先進製程投入車用晶片 半導體再成長7成 台積電揭發展路徑

根據《財訊》報導,今年台積電技術論壇上,揭露了2奈米後的發展路徑圖,特殊製程和先進封裝將扮演更重要角色;未來幾年,半導體新一波大成長即將出現。

高性能運算帶頭衝 先進製程投入車用晶片 半導體再成長7成 台積電揭發展路徑
高性能運算帶頭衝 先進製程投入車用晶片 半導體再成長7成 台積電揭發展路徑

文/林宏達

今年下半年,台積電將開始用3奈米製程為蘋果製造晶片,接下來2奈米製程也將在2025年推出。但隨著半導體線寬微縮愈來愈逼進物理極限,台積電還能繼續維持高速成長,甩開對手嗎?

後摩爾定律時代 局勢丕變

《財訊》報導指出,對台積電的長期投資者來說,另一個挑戰是,數十年來推動半導體產業前進的摩爾定律,效用似乎逐漸降低。過去,半導體產業每隔一段時間,生產同樣數量電晶體的成本就會下降一半,但近幾年半導體設備愈來愈貴,每片晶圓的售價不斷升高。

5月11日,台積電在技術論壇上,對許多未來發展的關鍵問題給出了答案。在後摩爾定律時代,台積電會持續高速成長,但從材料、技術到市場,都將出現重大改變。

根據《財訊》報導,台積電總裁魏哲家在開幕演講裡明示改變將至。他說,雖然台積電努力降低成本,但烏克蘭戰爭讓台積電花比原本高6~7倍價格,才能買到生產晶圓用的氖氣;他半開玩笑地說:「你們老闆的腦海裡馬上會想,這小子是不是想漲價!」

魏哲家也提到,線寬微縮技術的空間已經愈來愈少,1台用來生產高階晶片的EUV(極紫外光曝光機),「價格可以蓋兩百棟房子」,這是他十幾年前想不到的。台積電用600美元把晶片賣給客戶,做成伺服器後,卻得花20萬美元買,價值增加了330倍。

《財訊》報導指出,會中,台積電打出一張投影片。根據台積電的估算,2030年時,全球半導體產值將達1兆美元;這個數字相當驚人,因為根據美國半導體產業協會估計,2022年時,全球半導體產業規模為5741億美元,意指未來7年,半導體產業還會再成長逾7成。

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台積電預期,未來需求最大的是高性能運算,其次是行動通訊,不過這兩種應用的占比和現在差不多,分別為4成和3成;但車用晶片的占比則將翻揚1倍,占市場需求的15%,物聯網也將占有整個市場10%的需求。

在這次大會中,台積電也揭露了2奈米之後的發展路徑。台積電的專家介紹一種稱為CFET的新型電晶體結構,改用這種新設計,台積電可以在同樣的面積生產出兩層電晶體結構,運算效能馬上多出1倍。同時,1奈米以下,矽的限制愈來愈大,就要改用奈米碳管、二維半導體材料來製造晶片,雖然還要一段時間,但半導體材料發展將出現新的轉折。

魏哲家強調,半導體要繼續進步,除了架構要改變,更需要產業上下游的合作。這次會議中,台積電展示了新版的3D封裝技術,原本台積電的先進封裝技術可分成SOIC、CoWoS和InFO 3種,現在這3種技術都分別演化出高性能版和平價版,而且每1種台積電都能獨立完成製造、封裝、測試。

根據《財訊》報導,台積電副總張曉強表示,這是技術發展的需要,因為發展AI晶片,除了要求提升能源效率、降低耗電率,同時還需要晶片和記憶體的高速整合。像ChatGPT等AI應用,都需要計算巨量參數的變化,邏輯晶片透過先進封裝整合記憶體,需求相當強勁。

節省能源 先進製程關鍵點

至於摩爾定律未來是否能持續?張曉強表示:「以前大家理解摩爾定律的時候,是在單一的晶片上看摩爾定律,將來摩爾定律是要在系統階層上面,你如果把先進封裝算進來,摩爾定律的經濟效率還是存在的。例如在資料中心,你把今年運算用的晶片,從5奈米搬到3奈米,光省下的電費就足夠支付你所有晶片的更新。」換句話說,能節省多少能源,是驅動先進製程發展的關鍵。

《財訊》報導指出,今年5月,三星電子會長李在鎔和特斯拉執行長馬斯克單獨會面,外界解讀是為爭奪車用自駕晶片商機。台積電也在這次大會上,公布兩種車用晶片的新製程N4AE和N3AE;台積電表示,過去車用晶片鮮少採用先進製程,由於車用晶片驗證時間長,現在車廠已能用4奈米和3奈米技術來設計車用晶片,等到明後年車用4奈米和3奈米製程上線,馬上就能生產先進車用晶片,明顯要阻斷三星靠車用晶片超車的計畫。

介入記憶體領域 踢館三星

與此同時,台積電也大力投資特殊製程,在日本等地建立12到28奈米成熟製程新廠。台積電資深處長劉信生比喻,就像人有眼耳鼻舌身意等感知能力,製造這些感測晶片都要靠特殊製程,因此從2017年到2022年,台積電特殊製程投資的年複合成長率超過4成,而現在到2026年,特殊製程產能還要再增加5成。

這些特殊製程的投資,很多是用來創造更先進的感知能力。劉信生解釋,像智慧車、機器人需要更多的攝影鏡頭,這些鏡頭和拍照用的手機不同,要能看到人看不到的訊號,或是未來的鏡頭感測元件裡,還可以加上AI邏輯運算,讓AI可以普及到終端裝置上,甚至台積電也用28奈米製程製造顯示器控制電路,這些用在AR裝置上的新型顯示器,解析度可達4000PPI,這足以把1台4K顯示器放進你的眼鏡。

現在,台積電也用22、28奈米製程製造MRAM和RRAM記憶體,供智慧車使用,當三星想用車用晶片攻進台積電擅長的邏輯領域,台積電也把影響力延伸至三星擅長的記憶體領域。今年開始,先進封裝和特殊製程都將扮演比過去更重要的角色,而從台積電產能增加的速度看來,新一輪半導體產值的大成長正剛剛開始。

…(本文出自《財訊》雙週刊686期)

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