台积电如是何成就芯片霸业的？
芯片代工厂商台积电在上月举办的2021年度技术研讨会上，介绍了公司在芯片工艺节点方面的最新技术进展。这些进步都是为了帮助客户改善芯片性能、降低成本并提高功能性。在此次技术研讨会上，台积电表示已经开始更多采用极紫外（EUV）光刻技术，使芯片晶圆能够缩小至3纳米工艺节点，这一点远远超过竞争对手。台积电还解决了目前围绕芯片需求的种种问题，同时宣布正在建设封装芯片的新工厂。AMD首席执行官苏姿丰、高通新任首席执行官克里斯蒂亚诺·阿蒙（Cristiano Amon）和Ambiq创始人兼首席技术官斯科特·汉森（Scott Hanson）参加了此次研讨会并发表讲话。
在会议召开期间，台积电业务发展高级副总裁Kevin Zhang和台积电欧洲区域总裁Maria Marced接受采访，向公众介绍了台积电的发展方向以及与行业伙伴开展的合作。
台积电处于领先地位
问：台积电曾表示，自2019年以来公司已经开始自行生产EUV薄膜，目前台积电正在大幅增加薄膜产能。它在芯片制造中的应用有多广泛？与其他晶圆厂相比，这如何能进一步提升台积电的竞争优势？
Kevin Zhang：我们已经在这一领域进行了内部投资，我认为这对我们来说是一项非常独特的技术。我们可以利用它来提高我们在EUV方面的量产能力。你可以看到，我们在7纳米、6纳米以及现在的5纳米芯片生产上都在使用EUV，显然我们取得了巨大进步。因此我们认为，我们凭借独特的技术优势在这一领域做得很好。
台积电为苹果代工iPhone智能手机中所搭载的A系列芯片
Maria Marced：因为我目前在阿姆斯特丹，离ASML也比较近，所以我们接受过他们的特殊培训。我可以告诉你，在公司内部自行制造真的可以延长掩膜的使用寿命。通常在EUV光刻过程中掩膜会变脏，自行生产的确有助于提高EUV产能。
问：所以在现场使用就意味着减少了采购掩膜的时间，而且减少流程也让相应的污染变少？
Maria Marced：没错，是这样的。
问：通常只有尖端客户才会用到复杂和专业的技术。考虑到这种客户凤毛麟角，台积电如何在开发大部分客户所需要的封装技术与开发和探索新技术之间作出平衡？
Kevin Zhang：例如在领先节点上，台积电一直是技术层面的领导者。我们希望继续推动芯片技术的进步，因此通过与尖端客户的合作来优化我们的技术。所以这绝对是我们继续推动未来增长的一个领域。话虽如此，我仍然认为成熟专业技术在台积电向客户提供的整体技术中仍然扮演着非常重要的角色。比如说，如果没有20纳米的配套芯片，许多客户就不能让基于5纳米制程工艺的芯片起效。每部手机不仅有多个芯片，还有许多配套芯片。汽车也是一样，你有一个先进的芯片，但你也需要很多基于成熟技术的芯片。
所以我认为我们在平衡整体技术开发方面做得很好。在过去的几十年里，我们对成熟技术进行了大量投资。如果你看一下我们的整体技术路线图，就会发现我们也提供当今市场上最先进的专业技术。
Maria Marced：我唯一要补充的是，了解客户的系统复杂性对我们来说非常重要。此外，这些技术让我们得以掌握完成整个系统的物料清单，更好理解系统架构的发展方式，从而更好地为客户服务。
问：那么其中有多少比例是归结于客户的具体需求，而不是研究客户自己还不知道是否需要的新技术呢?
Kevin Zhang：例如，从组织的角度来看我们有专门的团队。我们有一个独立的团队专门研究下一代产品，真的是在探索不同的东西。这还需要大量的市场投入和客户投入，指导我们进行一些探索工作。所以这在我们内部团队之间、以及我们和客户之间都是一个非常动态的过程。
问：台积电已经非常明确地表示，它将继续在鳍式场效应晶体管（FinFET）制程方面下功夫，努力将芯片制程工艺缩小到3纳米，并在向2纳米制程工艺前进时转为全环绕栅极晶体管（GAA）。相比之下，很多竞争对手在发展的早期阶段就已经转向GAA。那么既要保持台积电在这些先进技术领域的前沿地位，又要让生产线上的FinFET技术继续铺开，你们是如何平衡这两方面的?
Kevin Zhang：我们在3纳米芯片中选择FinFET制程的原因有两个。
首先，我们必须找到一种方法来改进技术，让芯片能效更高，功能更强，内部晶体管密度更高。而客户并不关心它是FinFET还是Nanosheet。他们只会从成品的角度来看待这一切：可以给客户带来什么样的功耗、性能和密度优势。这才是最重要的事情。所以我们仔细研究了我们的FinFET技术和创新能力，我们发现这是一个非常强大的创新抓手，不仅允许我们将FinFET技术扩展到3纳米，同时也带来了实质性的效益。这是第一个原因。
第二个原因也是日程安排。我们希望确保自己能在合适的时间提供最先进的技术。所以从先进技术发展的角度来看，可预测性非常重要。我们的客户也非常重视日程安排。因此将这两者结合在一起，我们决定继续在3纳米制程工艺中使用FinFET技术。我们相信，在2022年到2023年间，我们的3纳米制程工艺将为市场带来最先进的芯片制造技术。
问：你如何平衡推动工艺密度和设计复杂性，比如1D和2D金属布线？目前在领先节点上还有哪些可能性？
Kevin Zhang：我们会关注所有不同的指标。归根结底，我们真正考虑的是产品层面以及系统层面上能给客户带来什么样的整体扩展优势。我所谓的扩展优势是总体功效、性能的提升和成本的下降。这必须在系统层面完成，而不仅仅是在芯片制造层面。
过去二维缩放控制了一切，但现在我们必须更多着眼于系统层面。比如我们投入了大量精力和金钱开发芯片级集成方案，正在推进2D、2.5D和3D集成芯片设计技术。这一切都在发挥作用，基本上为未来提供了一个完整的系统级解决方案。我想你们会看到越来越多芯片级集成技术的先进应用。毫无疑问，无论现在还是未来，晶体管方面的研发仍然非常重要，为客户提供最好的节能晶体管仍然非常重要，但这还不够。
我们着眼于系统层面的整体可扩展性。所以在技术层面以及产品系统层面的设计上有很多协同优化。
问：随着工艺节点的不断缩小，金属层的电阻成为越来越突出的一个问题。能与铜互连相比的创新材料只是更多前沿研究的一方面吗？还是需要投入更多精力来铺设更多金属层?
Kevin Zhang：在技术研讨会上，我们的确介绍了一些后端工作。例如，我们正在继续优化铜晶界，为整体芯片技术引入更低电阻的金属线。此外，我们还在不断寻找创新材料来改善寄生电容中的介电材料性能。所以这些都是积极的研究。
3D集成还可以为后端的整体性能需求提供替代解决方案。三维空间中从A到B的直联路径要短于二维空间，这可以减少布线的总长度，并显著减少传输延迟。所以所有这些事情都必须向前看。
问：在新技术方面，GAA方面最有前途的两项技术是2D晶体管和碳纳米管。台积电最近发表了一篇关于2D晶体管新发展的论文，受到了很多关注。你认为哪种技术更有前途？
Kevin Zhang：所有这些先进的晶体管材料都有一定优势。这就是为什么即便这些技术很遥远，我们仍要在早期投入大量精力。尤其是在将这些新材料和新结构引入大规模量产方面，仍需要付出巨大的努力。所以我们还有很多工作要做。但好消息是我们并不缺乏新思路。我们正在探索许多有一定优势的新事物。因此，我们只需要弄清楚如何将它们整合在一起，为未来客户应用带来最具吸引力的整体技术解决方案。
台积电工厂
问：关于与ASML合作的研究，他们谈到了未来EUV方面的发展，比如说高NA(数值孔径)光学光刻技术。他们一直在强调这方面内容。你能谈谈台积电在未来的EUV技术方面必然会做些什么吗？
Kevin Zhang：我们会关注所有不同的技术选择。我们在会上讨论过一些关于材料创新的话题，如何将新材料集成到晶圆上，从而实现更好的传导效果和更节能的晶体管。在相关重要领域，我们有研究团队和早期研发团队来开发和探索所有不同的技术选择。
光刻技术在几何缩放中仍然是一个非常重要的组成部分。所以我们确实有团队也在研究如何最大化EUV，从而让未来的光刻间距更紧密。所有这些都在为未来技术选择进行探索。
冲出亚洲
问：在欧洲，我们听说台积电的竞争对手正在投资建设最先进的技术设备。但我们并没有从台积电那里听到同样的消息。有什么特殊原因吗？还是有什么要宣布的?
Maria Marced：嗯，我们不会排除任何可能性。但是现在我没有要宣布的事情。
问：台积电在欧洲的客户中是否只有少数处于尖端地位？它们中的大多数仍依赖于较老的工艺技术，比如德国的大型汽车工业强烈依赖它们的专业技术。是不是说很多欧洲企业并没有想要领先的强烈愿望？
Maria Marced：欧洲的主要行业是汽车制造以及其他工业，但欧洲在物联网领域也有着举足轻重的地位。很多细分领域所需要的更多是专业方面的先进技术，不仅是成熟的技术，而且是先进的技术。
问：我们发现人工智能领域对芯片的大量需求。很多客户想要尖端解决方案，但也有很多客户对更成熟节点工艺的边缘设备产品需求更高。你能谈谈在人工智能方面时，需求是如何变化的吗?
Maria Marced：英国也有很好的人工智能公司。你知道，其中之一就是我们好几个项目的早期采用者。Graphcore已经宣布在3纳米芯片产品方面与台积电合作。而在以色列，也有很多关于人工智能方面的合作。在欧洲、中东和非洲，我们看到很多人对人工智能感兴趣，欧盟围绕欧洲处理器计划(EPI)开展了很多关于人工智能应用方面的活动。
问：台积电在北美市场的营收比例似乎在上升，欧洲市场营收所占比例似乎有所下降。那么欧洲市场存在什么问题或者挑战？
Maria Marced：我认为主要原因是，因为欧洲的主要领域是汽车、工业和物联网。这些细分市场仍在使用成熟的先进技术和专有技术，而且这些终端产品的平均价格较低，这就造成了不同市场收入占比的巨大差异。但未来肯定会出现快速变化。因为汽车和其他工业都在竞相采用人工智能技术。特别是作为工业4.0和物联网的一部分，人工智能产品正在快速转向更先进更前沿的技术。所以我预计这一比例将在未来发生显著变化。
问：台积电亚洲，台积电北美和台积电欧洲、中东和非洲似乎是相互独立的组织，它们之间有多少相互协作？考虑到台积电经常在世界各地或多个市场开展业务，这种业务拆分是否正确?
Maria Marced：这个问题很有意思。我在英特尔工作了很多年时间，一直认为公司就该是集中的，并且应该有同一个领导方向。所以我们根本就不是相互独立的组织。我们非常依赖彼此，我们绝对有一个方向，我们彼此互补。我的确认为欧洲为台积电带来了一些不同的东西，更多关注专业领域。这就是我们发挥关键作用的地方。我们实际上是一家公司，朝着同一个方向发展。
建设和扩张
问：谈到封装，台积电首席执行官提到公司目前有5家支持系统整合芯片（SoIC）这种创新封装技术的晶圆厂，其中新建设的晶圆厂封装产能会更大。行内通常是按月测量晶圆产量，这些SoIC晶圆厂的产能如何？
Kevin Zhang：我没法透露具体产能。我只能说，我们的确在投资建设后端封装能力和提高产能。因为我们确实看到了一个趋势，越来越多的客户希望利用我们的先进封装技术，包括CoWoS、InFO，以及未来的SoIC与3D集成。这就是为什么我们不仅在研发方面投资，还会在产能方面投资，为未来的业务增长做准备。
对于3D集成封装技术的产能指标，这完全取决于客户所做的配置类型。有时你可能会用一个更成熟的节点去集成非常先进的小芯片，或者会减去一到两个节点，因此可能需要用不同方式来计算总量。这完全取决于具体的产品配置。也许将来我们必须找到一种能更好衡量产量的方法。当你谈到3D集成时，可能指的是我们计算最终集成部分的数量。
AMD也和台积电合作制造芯片
问：台积电目前有四家封装厂，第五家正在建设当中。据称第五家封装厂将占据台积电全球封装产能的50%以上。将台积电的大部分封装产能集中在一个地方有什么影响吗？
Kevin Zhang：我们曾反复权衡过，最终认为建设一座更大规模的工厂对我们来说是一个优势。现在我们就在建设这样一座大厂。我认为这能给客户带来的最为关键的经济效益，工厂运行能够有效降低成本，这也会让客户受益。但是我们也必须考虑如何把产能拓展至不同的地方。我们正在这样做，以确保我们保持一定的产能平衡。所以我们也计划在美国亚利桑那州建厂。
问：提到封装和封测瓶颈，有人认为这受限于晶圆吞吐量，而有些人认为这归结于封装吞吐量。我不是想问你哪一个是最关键的瓶颈，但是我想问的是台积电是如何提高客户订单吞吐量的。台积电已经在提高封装能力，除此之外台积电还在做什么呢？
Kevin Zhang：我认为在技术方面，很多人可能会认为要么晶圆技术是瓶颈，要么封装技术是瓶颈。实际上在我看来，将所有部分在系统层面上组合在一起，才能从中找出最佳的解决方案。如果你回顾半导体技术就会发现，一切始于二维的东西，摩尔定律就是关于晶体管的密度，缩放比例和经济性。但是随着不断进步，现在整个行业都在向更高水平的系统集成发展。在很多技术会议上，人们讨论的不仅是晶体管级的设计，而且还有系统级的性能优化，以及如何将所有的功能和部件组合在一起。在未来，我认为这一趋势将继续下去，因此真正的问题是与客户合作，针对确定的产品应用去考虑客户独特的系统级需求，并以最佳的方式将所有部分结合在一起。这是我对未来的看法。
我们的关键是合作创新。与客户合作是我们真正创新的最好方式，帮助他们创新的同时推动我们自己的创新。
问：设计工艺协同优化（DTCO)是充分利用前沿技术的重要组成部分。DTCO是否越来越复杂？随着台积电及客户对实现良好DTCO的过程不断加深理解，DTCO是否在加速发展？
Kevin Zhang：我认为我们的客户从过去几代DTCO中获益良多。未来，我们在DTCO方面将有更多工作要做，我们发现客户更加渴望与我们合作，以获得内在的技术优势。我认为这一趋势将继续下去，未来我们也需要更多努力。技术和设计需要更加紧密地交织在一起，你说它是更难吗？我认为它是变得更加微妙，我们需要与我们的客户更紧密地合作，共同进行优化。现在也有了更先进的封装，所以如何规划一个系统中的技术可能完全不同。如果你有了一块小芯片，要想在系统层面上实现所有功能，你需要考虑如何利用不同芯片技术和不同集成方案，从而以正确方式构建出整个芯片系统。（皎晗）
