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台積電的「5 奈米」工廠有多厲害?為什麼美國如此積極想要台積電在美設廠?

  • 更新2021/02/01 03:43
  • 發布2020/05/15 12:40
  • 作者/ Lion
  • 撰文:Lion

台積電於今日(5/15)發佈,有意於美國亞利桑那洲政府合作,投資約 3600 億台幣興建並且營運一座先進晶圓廠。這個晶圓廠將採用台積電最先進的 5 奈米製程,每月產能約 20000 片晶圓,預計於 2023 年完工開始營運。為什麼美國如此積極希望台積電前往設廠,5 奈米又代表什麼意義?請看太報的整理報導。

台積電於今日(5/15)發佈,有意於美國亞利桑那洲政府合作,投資約 3600 億台幣興建並且營運一座先進晶圓廠。這個晶圓廠將採用台積電最先進的 5 奈米製程,每月產能約 20000 片晶圓,預計於 2023 年完工開始營運。為什麼美國如此積極希望台積電前往設廠,5 奈米又代表什麼意義?請看太報的整理報導。

 

具體來說,製程愈小愈好,手機晶片效能更快、更不發熱

世界進步的多快呢?2010 年(居然已是 10 年前!)推出的 iPhone 4 所搭載的 Apple A4 處理器為 40 奈米製程,而使用在 iPhone 11 上的 Apple A13 處理器則是 7 奈米;1995 年生產的 Intel 奔騰 Pentuim II 處理器多用上 350 奈米的製程,而最新的 Intel 10 代處理器則是 14 奈米更小的製程能夠在同樣的尺寸中放入更多的運算單元,讓效能更好、發熱更少、更省電。相信不用多舉例,拿出你 3 年前的手機滑兩下,你可以明顯感受到效能與發熱的差別。

iPhone 4 所搭載的 Apple A4 處理器為 40 奈米製程,2020 年的 A13 處理器則為 7 奈米製程。(來源/Apple)

「奈米」是什麼意思?在晶圓廠或是半導體中的意義是什麼?

奈米(nm)是一個長度單位,是一公尺的十億分之一(0.000000001 公尺)。這個尺寸有多誇張?用大家學過的物體的組成「原子」來舉例,一顆原子的大小大約為 0.1 奈米,而半導體或晶圓廠說的 XX 奈米,指的就是能夠將將電晶體縮小到幾奈米的尺寸,若是在「5 奈米」這麼小的尺寸,等於這個電晶體裡中的一個寬度,可能只有不到 50 個原子長,在如此微觀的情況,讓製程縮小的難度愈來愈難,因為即將碰上物理難題。

由於這個世界實在太小,在 20 奈米左右就會遇到「量子穿隧」的問題,導致電子會穿過電晶體中的「牆壁」亂跑,如何改進製程解決這個問題就是各家要面對的難題這也是許多晶圓代工廠在 28 奈米卡關,或是14、16 奈米卡關的原因,再進一步都得非常努力。台積電已經在 2020 年實現了 5 奈米的量產,同時更加碼投入了 1682 億新台幣來在台灣興建廠房跟升級製程設備。台積電下一個目標為 3 奈米製程,預計於 2022 下半年量產。

台積電目前在哪些國家有工廠?產量多少?

依照台積電(TSMC)的公開資料,目前台積電與旗下子公司,一年產能超過一千二百萬片十二吋晶圓約當量。台積電在台灣有三座十二吋超大晶圓廠(GIGAFABR Facilities)、四座八吋晶圓廠和一座六吋晶圓廠。中國方面有台積電(南京)有限公司之十二吋晶圓廠、台積電(中國)有限公司之八吋晶圓廠產能支援。美國方面,在華盛頓 Camas 市有一間 WaferTech 美國子公司提供測試、分析等服務,但並非晶圓工廠。

晶圓是現代科技製造處理器、晶片所不可或缺重要技術指標。圖為 AMD 的 Phenom 四核心處理器架構攝影(來源/Advanced Micro Devices, Inc. (AMD))

為什麼美國積極希望台積電(TSMC)在美國建廠生產?

近幾年,美國軍方五角大廈一直有「美國過於依靠台積電」的疑慮,包括戰鬥機、飛彈、各種軍用設備的機版、晶片,雖然大多還是由美國公司所設計,但是大部分都是交由台灣的台積電來生產製造。而台積電在晶圓生產的領導地位,也讓晶片設計公司很難轉用他廠,正如前面所說,製造尺寸能縮到多小,直接影響到效能表現,如果不找台積電生產,很可能晶片設計出來的理論性能,與正式生產出來的性能差很多。若台海發生事端,或是中美貿易戰影響波及導致在台灣製造生產的台積電無法出貨,對美國會造成極大影響。

 

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