全球芯片制造龙头台积电市场表现一再创记录,从今年初因疫情影响,股价最低跌至235.5元,直到11月17日一度触及506元,不只翻倍增长,市值更逼近新台币13万亿元,超车零售巨头沃尔玛(Walmart),登上全球第11大市值企业。
同在今年,为维持世界领先,台积电持续投资创新先进技术及卓越制造,资本支出创史上新高,增至约170亿美元,其中约有8成用于3纳米制程及更先进制程的研发。也因为长期专注创新,其5纳米制程已抢先全球于今年第二季量产,成为苹果A14仿生芯片、M1处理器的重要产能。
近两年,向台积电先进制程下单的超微(AMD)、联发科等,产品性能都有跳跃式进步,前者无疑成为加速科技巨头增长、抢攻市场占有的关键推手。
同一时间,台积电也声明最先进的2纳米制程研发中心,将在2021年于新竹设立。
先进制程濒临极限,如何走出摩尔定律框架?
然而,有鉴于IC(集成电路)制程的发展,终将面临物理极限,摩尔定律(Moore’s Law)是否失效有待探讨;即使台积电创办人张忠谋曾用“柳暗花明又一村”,形容摩尔定律可能会出现解决方案,但仍有不少业内人士认为,当芯片电路线宽越来越小,1纳米之后的技术该如何走下去?
“不管摩尔定律的路怎么走,台积电只在意新一代技术创造的优势,是否能达到预期。”台积电首席科学家黄汉森说明了台积电如何“跳脱”框架。
“技术发展在我看来,更像是一条道路(path)的感觉。”只要通过这条路,满足终端产品性能表现,都是好的选择。
举例来说,消费者购买笔记本时,比起中央处理器(CPU)晶体管数是否翻倍,他们更在意新笔记本性能是否满足需求。
台积电首席科学家黄汉森表示,台积电会积极强化技术,以满足客户成本与性能需求。
换句话说,台积电早已展开准备,不再只依赖先进制程,也投入大量资源在先进封装技术(今年投入10%、超过500亿元的资本支出),期望双头并进解决客户高性能芯片的需求。距竹科20分钟车程的竹南科学园区,一块14.3公顷的地正在动工,即为台积电预计2021年中完工的先进封装厂。
从技术面来看,台积电目前已有集成扇出型封装(InFO)、CoWoS(基板上芯片上芯片封装)等技术,其中InFO更是台积电抓紧大客户苹果订单的法宝之一。
总裁魏哲家在今年台积线上技术论坛,首度端出集成InFO、CoWoS等3D硅堆栈IC技术平台“3D Fabric”,能串联多个逻辑IC、高宽带内存(HBM)以及小芯片(chiplet),随着运算需求不同改变组合,缩短开发时间,让客户的芯片达到更好的性能表现。
黄汉森强调,“每一条技术的路,对台积电来说同样重要,我们缺一不可。”以高性能计算(HPC)的应用来说,需要高度性能表现,先进封装技术才能满足所需;物联网(IoT)看重能源效率,同时依据终端设备的功能与体积大小,将运算芯片与传感芯片以系统级封装(SiP)技术,一起包进一颗系统单芯片(SoC)里,相对是更好的解决方案。
掌握各种先进技术的同时,台积电创新的力道丝毫未减。从7纳米制程起,台积电就一路领先三星、英特尔约1~2个制程时代,不只技术领先,良率表现也狠甩对手;高良率意味低生产成本,因此吸引了更多半导体客户选择台积电代工。
先前英伟达(NVIDIA)的新产品RTX 30系列改采三星8纳米制程,由于良率和性能表现不如预期,市场便传出英伟达将回归台积电5纳米制程,可见不仅量产快,台积电的良率与性能也相对稳定。
“用突破摩尔定律(Moore’s Law)很像是冲破了些什么!我倒认为技术的发展比较像是隧道、一条道路(Path)的感觉。”台积电首席科学家黄汉森打趣地说。
三星呛声“弯道超车”,台积能否维持领先优势?
值得注意的是,3纳米制程的晶体管架构选择上,台积电和三星出现分歧,是否将从此影响先进制程赛局结果?
台积电将选择沿用FinFET(鳍式场效晶体管)架构,而三星则转向GAAFET(闸极全环场效晶体管)架构,期望借此解决制程微缩所面临的漏电问题。
有不少企业认为,GAAFET将是先进制程推进至3纳米的最佳解决方案,因为性能提升较高、能耗减少最多,体积也能缩得更小,连英特尔也宣布,将在5纳米制程改采GAAFET。
对于台积电的架构选择,黄汉森表示,是基于成本竞争力、IC设计及性能表现的整体考量,“FinFET架构确实会因为接下来制程的缩小,碰到发展的瓶颈。”业界解读是,台积电以较为保守稳健的做法,选择在掌握度最高的FinFET架构上力求优化。
2020年全球依然受到中美贸易的影响,提供半导体核心技术为主的台积电更是地缘政治家的必争之地。
今年11月24日上梁的台积电3纳米南科厂,将于2021年试产、2022年下半量产,估计将比5纳米功耗减少近30%,性能提高超过10%。然而,三星也没在客气,宣布预计于2022年量产3纳米,一举超车台积电,显然先进制程竞赛的下一阶段,已揭开序幕。
在芯片制造的制程上,晶体管架构的选择,都可能是每一时代的领先优势,也可能是不慎失足的坎。与此同时,国际政经局势变化多端,也让台积电处于重要的地缘政治位置,动见观瞻。
被问及如何因应中美贸易战时,台积电董事长刘德音曾言,“抵抗限制并非台积电能做的,我们能做的是找出方法、解决困境,”眼下台积电能做的就是持续精进,客户需求在哪、服务就要到哪。