在 HBM4 内存带来的几个主要变化中,最直接的变化之一是内存接口的绝对宽度。随着第四代内存标准从已经很宽的 1024 位接口转向超宽的 2048 位接口,HBM4 内存堆栈将不再像往常一样工作;芯片制造商将需要采用比现在更先进的封装方法来容纳更宽的内存。

作为 2024 年欧洲技术研讨会演讲的一部分,台积电提供了有关将为 HBM4 制造的基础芯片的一些新细节,该芯片将使用逻辑工艺构建。由于台积电计划采用其 N12 和 N5 工艺的变体来完成这项任务,该公司预计在 HBM4 制造工艺中占据有利地位,因为内存工厂目前没有能力经济地生产如此先进的逻辑芯片——如果他们能够生产的话他们根本。

对于第一波 HBM4,台积电准备使用两种制造工艺:N12FFC+ 和 N5。虽然它们服务于相同的目的——将 HBM4E 内存与下一代 AI 和 HPC 处理器集成——但它们将以两种不同的方式用于连接 AI 和 HPC 应用程序的高性能处理器的内存。

台积电设计与技术平台高级总监表示:“我们正在与主要 HBM 内存合作伙伴(美光、三星、SK 海力士)合作,在先进节点上实现 HBM4 全堆栈集成。” “N12FFC+ 具有成本效益的基础芯片可以达到 HBM 的性能,而 N5 基础芯片可以在 HBM4 速度下以低得多的功耗提供更多逻辑。”

台积电采用 N12FFC+ 制造工艺(12nm FinFet Compact Plus,正式属于 12nm 级技术,但其根源于台积电经过充分验证的 16nm FinFET 生产节点)制造的基础芯片将用于在硅片上安装 HBM4 内存堆栈片上系统 (SoC) 旁边的中介层。台积电认为,他们的 12FFC+ 工艺非常适合实现 HBM4 性能,使内存供应商能够构建 12-Hi (48 GB) 和 16-Hi 堆栈 (64 GB),每堆栈带宽超过 2 TB/秒。

“我们还在针对 HBM4 优化 CoWoS-L 和 CoWoS-R,”台积电高级总监说道。“CoWoS-L 和 CoWoS-R 都[使用]超过八层,以实现 HBM4 的路由超过 2,000 个互连,并具有[适当的]信号完整性。”

N12FFC+ 上的 HBM4 基础芯片将有助于使用 TSMC 的 CoWoS-L 或 CoWoS-R 先进封装技术构建系统级封装 (SiP),该技术可提供高达 8 倍标线尺寸的中介层 — 足够的空间容纳多达 12 个 HBM4 内存堆栈。根据台积电的数据,目前HBM4可以在14mA电流下实现6GT/s的数据传输速率。

“我们与 Cadence、Synopsys 和 Ansys 等 EDA 合作伙伴合作,验证 HBM4 通道信号完整性、IR/EM 和热精度,”台积电代表解释道。

同时,作为一种更先进的替代方案,内存制造商还可以选择采用台积电的 N5 工艺来生产 HBM4 基础芯片。N5 构建的基础芯片将封装更多的逻辑,消耗更少的功耗,并提供更高的性能。但可以说,最重要的好处是,这种先进的工艺技术将实现非常小的互连间距,约为 6 至 9 微米。这将允许 N5 基础芯片与直接键合结合使用,从而使 HBM4 能够在逻辑芯片顶部进行 3D 堆叠。直接键合可以实现更高的内存性能,这对于总是寻求更多内存带宽的 AI 和 HPC 芯片来说预计将是一个巨大的提升。

我们已经知道 台积电和 SK 海力士在 HBM4 基础芯片上进行合作。台积电也可能为美光生产 HBM4 基础芯片。否则,我们会更惊讶地看到台积电与三星合作,因为该集团已经通过其三星代工部门拥有自己的先进逻辑工厂。

台积电特殊工艺产能扩产50%

随着德国和日本的新工厂全部建成,以及中国产能的扩张,台积电计划到 2027 年将其特种技术产能扩大 50%。该公司在欧洲技术研讨会上透露本周,台积电预计不仅需要转换现有产能以满足特殊工艺的需求,甚至还需要为此目的建造新的(绿地)晶圆厂空间。这一需求的主要驱动力之一将是台积电的下一个专用节点:N4e,一个 4 纳米级超低功耗生产节点。

“过去,我们总是对即将建成的晶圆厂进行审查阶段,但在台积电很长一段时间以来,我们第一次开始建设绿地晶圆厂,以满足未来的专业技术要求,”台积电业务发展和海外运营办公室高级副总裁Kevin Zhang博士出席活动时候说。“在未来四到五年内,我们的专业产能实际上将增长 1.5 倍。通过这样做,我们实际上扩大了制造网络的覆盖范围,以提高整个晶圆厂供应链的弹性。”

除了 N5 和 N3E 等著名的主要逻辑节点之外,台积电还为功率半导体、混合模拟 I/O 和超低功耗应用(例如物联网)等应用提供一套专用节点。这些通常基于该公司的落后制造工艺,但无论底层技术如何,这些节点的容量需求都随着台积电主要逻辑节点的需求而增长。所有这些都要求台积电重新评估他们如何规划其专业节点的容量。

台积电近年来的扩张战略追求几个目标。其中之一是在台湾以外建立新的晶圆厂;另一个是普遍扩大产能,以满足未来对所有类型工艺技术的需求——这就是该公司正在建设专业节点产能的原因。

目前,台积电最先进的专用节点是N6e,是N7/N6的变体,支持0.4V至0.9V之间的工作电压。对于 N4e,台积电正在考虑低于 0.4V 的电压。尽管目前台积电并未透露太多计划节点的技术细节;考虑到该公司在这里的历史,我们预计一旦新流程准备就绪,他们明年将有更多的话题可以讨论。

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