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上周，臺(tái)積電宣布了一種專為高性能計(jì)算 (HPC) 產(chǎn)品量身定制的新制造工藝N4X。臺(tái)積電承諾，新工藝將與臺(tái)積電 N5 系列節(jié)點(diǎn)的晶體管密度和設(shè)計(jì)規(guī)則與以超高電壓驅(qū)動(dòng)芯片以實(shí)現(xiàn)更高頻率的能力相結(jié)合，這對(duì)服務(wù)器 CPU 和 SoC 尤其有用。有趣的是，臺(tái)積電的 N4X 甚至可以實(shí)現(xiàn)比該公司下一代 N3 工藝更高的頻率。

眾所周知，過去多年，晶體管尺寸縮小引起的問題之一是其觸點(diǎn)尺寸縮小，這意味著接觸電阻增加，從而導(dǎo)致功率傳輸出現(xiàn)問題。不同的制造商使用不同的方法來解決接觸電阻問題：英特爾使用鈷觸點(diǎn)而不是鎢觸點(diǎn)，而其他制造商選擇使用選擇性鎢沉積形成觸點(diǎn)技術(shù)。雖然這些方法幾乎適用于所有類型的芯片，但仍有一些方法可以進(jìn)一步改善高性能計(jì)算 (HPC) 設(shè)計(jì)的功率傳輸，這些設(shè)計(jì)對(duì)于所使用的功率/電壓的總和相對(duì)不適度。這正是臺(tái)積電對(duì)其 N4X 節(jié)點(diǎn)所做的。但在我們繼續(xù)詳細(xì)介紹新的制造工藝之前，讓我們先看看臺(tái)積電承諾的優(yōu)勢(shì)。

臺(tái)積電聲稱，與使用 N5 制造的類似電路相比，其 N4X 節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率最高可提高 15%，與使用其 N4P 節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)的 IC 相比，在 1.2V 下運(yùn)行時(shí)的頻率最高可提高 4%。此外——而且似乎更重要的是——N4X 可以實(shí)現(xiàn)超過 1.2V 的驅(qū)動(dòng)電壓，以獲得更高的時(shí)鐘。將數(shù)字放在上下文中：在 N5 上制造的 Apple M1 系列 SoC 以 3.20 GHz 運(yùn)行，但如果這些 SoC 是使用 N4X 生產(chǎn)的，那么使用臺(tái)積電的數(shù)學(xué)計(jì)算，它們理論上可以被推到 3.70 GHz 左右或更高的頻率，電壓超過1.2V。

報(bào)道指出，臺(tái)積電不會(huì)將 N4X 的晶體管密度與其 N5 系列的其他成員進(jìn)行比較，但通常用于 HPC 應(yīng)用的處理器和 SoC 不是使用高密度庫(kù)設(shè)計(jì)的。至于電源，與使用其他 N5 級(jí)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)的芯片相比，超過 1.2V 的驅(qū)動(dòng)電壓自然會(huì)增加功耗，但由于該節(jié)點(diǎn)是為 HPC/數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此它的重點(diǎn)是提供盡可能高的性能，功耗反而是次要問題。事實(shí)上，過去幾代 HPC 級(jí) GPU 和類似部件的總功耗一直在增加，而且沒有跡象表明這種情況會(huì)在未來幾代產(chǎn)品中停止，這在一定程度上要?dú)w功于 N4X。

臺(tái)積電業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)副總裁 Kevin Zhang 博士表示：“HPC 現(xiàn)在是臺(tái)積電增長(zhǎng)最快的業(yè)務(wù)部門，我們很自豪地推出 N4X，這是我們超高性能半導(dǎo)體技術(shù)‘X’系列中的第一個(gè)。“高性能計(jì)算領(lǐng)域的需求是無情的，臺(tái)積電不僅定制了我們的‘X’半導(dǎo)體技術(shù)以釋放終極性能，而且還將其與我們的 3DFabric 先進(jìn)封裝技術(shù)相結(jié)合，以提供最佳的高性能計(jì)算平臺(tái)。”

為了提高性能并使超過 1.2V 的驅(qū)動(dòng)電壓成為可能，臺(tái)積電必須改進(jìn)整個(gè)工藝堆棧。

首先，它重新設(shè)計(jì)了 FinFET 晶體管，并針對(duì)高時(shí)鐘和高驅(qū)動(dòng)電流對(duì)它們進(jìn)行了優(yōu)化，這可能意味著降低電阻和寄生電容并提高流過通道的電流。我們不知道它是否必須增加?xùn)诺綎砰g距，此時(shí)臺(tái)積電沒有說明它究竟做了什么以及它如何影響晶體管密度。

其次，它引入了新的高密度金屬-絕緣體-金屬 (MiM) 電容器，可在極端負(fù)載下穩(wěn)定供電。

第三，它重新設(shè)計(jì)了后端金屬堆棧，為晶體管提供更多功率。同樣，我們不知道這如何影響晶體管密度和最終的芯片尺寸。

在很大程度上，英特爾為其 10納米增強(qiáng)型 SuperFin（現(xiàn)在稱為英特爾 7）工藝技術(shù)引入了類似的增強(qiáng)功能，這并不奇怪，因?yàn)檫@些是提高頻率潛力的自然方法。

令人驚嘆的是，隨著時(shí)間的推移，臺(tái)積電如何顯著提高其 N5 技術(shù)的時(shí)鐘速度潛力。15% 的增長(zhǎng)使 N4X 接近其下一代 N3 制造技術(shù)。同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電壓超過 1.2V，該節(jié)點(diǎn)實(shí)際上將啟用比 N3 更高的時(shí)鐘，使其特別適合數(shù)據(jù)中心 CPU。

臺(tái)積電表示，預(yù)計(jì)首批 N4X 設(shè)計(jì)將在 2023 年上半年進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)階段，這是對(duì)時(shí)間的非常模糊的描述，因?yàn)檫@可能意味著非常晚的 2022 年或 2023 年初。無論如何，通常需要一年時(shí)間才能完成芯片從風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)到大批量生產(chǎn)迭代，因此預(yù)計(jì)首批 N4X 設(shè)計(jì)將在 2024 年初投放市場(chǎng)是合理的。N4X 有望在時(shí)鐘方面具有優(yōu)勢(shì)，而 N3 將在晶體管密度方面具有主要優(yōu)勢(shì)。

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臺(tái)積電最新N4X工藝解讀：在高壓下具有極高性能

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