Taiwanesische Technologie-Offensive TSMC: Mega-Investitionen für Mikro-Transistoren

Redakteur: Michael Eckstein

100 Mrd. US-Dollar investiert TSMC in den nächsten drei Jahren in den Ausbau seiner Technologieführerschaft. Auf dem Europe Technologie Symposium hat die IC-Schmiede ein Füllhorn an Neuigkeiten angekündigt – etwa den speziell auf Automotive-Anwendungen abgestimmten 5-nm-Fertigungsprozess N5A.

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IC-Primus: Ob es Europa jemals gelingt, mit seinen Investitionsprogrammen den Technologievorsprung von TSMC aufzuholen, ist fraglich. Hier prüft eine Mitarbeiterin einen 300-mm-Wafer in der hochmodernen Fab 14 des taiwanesischen Chipherstellers.
IC-Primus: Ob es Europa jemals gelingt, mit seinen Investitionsprogrammen den Technologievorsprung von TSMC aufzuholen, ist fraglich. Hier prüft eine Mitarbeiterin einen 300-mm-Wafer in der hochmodernen Fab 14 des taiwanesischen Chipherstellers.
(Bild: TSMC)

Auf seinem Europe Technologie Symposium 2021 vom 1. bis 2. Juni stellt der taiwanesische IC-Auftragsfertiger TSMC seine neuesten Innovationen in den Bereichen Logik- und Spezialtechnologien sowie 3DFabric Advanced Packaging und Chip-Stacking-Technologien vor. Dazu zählen N6RF für 5G-Smartphones und WiFi 6/6e-Produkte, N5A für moderne Automobilanwendungen und Verbesserungen in der gesamten Palette der 3DFabric-Technologien.

„Die Digitalisierung verändert die Gesellschaft schneller als je zuvor“, sagt Dr. C.C. Wei, CEO von TSMC, in seiner Keynote. Menschen würden verstärkt Angebote wie Videokonferenzen, Remote-Access, Cloud Computing und Streaming nutzen, um sich zu vernetzen, zusammenzuarbeiten und gemeinsam Probleme zu lösen. „Diese digitale Transformation hat eine neue Welt voller Möglichkeiten für die Halbleiterindustrie eröffnet.“ TSMC würde sein Technologieportfolio ständig verbessern und erweitern, „um die Innovationen unserer Kunden zu entfesseln.“

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N5, N4, N5A und N3: Deutliche Leistungs- und Effizienzsprünge mit jeder neuen Generation

Seit einigen Jahren gilt TSMC als Technologieführer für Halbleiterproduktion – sowohl, was die eigentliche IC-Fertigung als auch das (3D-)Chip-Packaging angeht. So war TSMC das erste Unternehmen der Branche, das bereits 2020 eine Prozesstechnologie mit nur 5 Nanometer kleinen Prozessknoten unter dem Namen N5 in die Volumenproduktion brachte.

Nach eigenen Angaben ist es bei N5 zudem gelungen, die Defektdichte schneller zu verbessern als bei der vorangegangenen 7-nm-Generation (N7). Zudem ermögliche der Generationswechsel in 15 % höherer Verarbeitungsgeschwindigkeit, 30 % geringerer Stromaufnahme und 70 % höherer Logikdichte, sagt Wei in seiner Keynote. Das Angebot wird offenbar gut angenommen: „Seit der Einführung der Volumenproduktion von N5 im letzten Jahr haben wir schon über eine halbe Million N5-Wafer produziert“, freut sich der CEO.

Innovation hat ihren Preis: 100 Mrd. US-Dollar in den nächsten drei Jahren

Die aktuell eingeführte N4-Erweiterung der 5-nm-Familie soll die Rechenleistung, Energieeffizienz und Transistordichte weiter verbessern, gleichzeitig mit weniger Masken auskommen und zu den N5-Designregeln kompatibel sein. Seit der Ankündigung auf dem Technologie-Symposium 2020 sei die Entwicklung von N4 reibungslos verlaufen, so dass TSMC die Risikoproduktion bereits für das dritte Quartal 2021 angesetzt hat.

Die nächste Evolutionsstufe steht schon in den Startlöchern: Die Fab im Southern Taiwan Science Park nahe der Stadt Tainan hat das Unternehmen bereits vor rund sechs Monaten eingeweiht. Derzeit läuft die Testphase für die N3-Technologie. „Die Volumenproduktion wird voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2022 starten“, sagt Maria Marced, President TSMC Europe. Basierend auf der bewährten FinFET-Transistorarchitektur soll N3 gegenüber N5 erneut für einen Geschwindigkeitszuwachs von bis zu 15 % gut sein, bis zu 30 % weniger Strom verbrauchen und eine um bis zu 70 % höhere Logikdichte erreichen.

Die sehr hohe Innovationsleistung von TSMC hat ihren Preis: Allein von 2017 bis 2020 habe sein Unternehmen über 50 Mrd. US-Dollar (Capex) investiert, allein in diesem Jahr werden es voraussichtlich rund 30 Mrd. US-Dollar sein, sagt Wei. In den nächsten zwei Jahren geht er von Investitionskosten von jeweils über 30 Mrd. US-Dollar aus: „So werden wir in den Jahren 2021 bis 2023 rund 100 Mrd. US-Dollar investieren.“

Neuer N5A-Prozess erfüllt strenge Sicherheits- und Qualitätsstandards der Automotive-Industrie

Speziell für die hohen Anforderungen in Automotive-Anwendungen hat TSMC den N5A-Prozess entwickelt. Er zielt darauf ab, die wachsende Nachfrage nach Rechenleistung in neueren und rechenintensiveren Automobilanwendungen wie KI-gestützte Fahrerassistenzsysteme und immer stärker digitalisierte Fahrzeug-Cockpits zu erfüllen.

Laut TSMC bringt N5A die gleiche Technologie, die heute in Supercomputern zum Einsatz kommt, in Fahrzeuge. N5A bietet demnach die Leistung, Energieeffizienz und Logikdichte von N5, erfüllt aber gleichzeitig die strengen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen von AEC-Q100 Grade 2 sowie andere für die Automobilbranche essenzielle Sicherheits- und Qualitätsstandards.

Laut Dr. Kevin Zhang, Senior Vice President Business Development von TSMC, wird dafür der Fertigungsprozess immer weiter optimiert, so dass die Ausfallraten produzierter Chips im späteren Betrieb extrem gering sind. TSMC unterstützt den N5A-Prozess innerhalb seiner Automotive Design Enablement Plattform. Ab dem dritten Quartal 2022 soll die Massenfertigung anlaufen.

N6RF: Hochfrequenztechnik für die 5G-Ära

Die im Vergleich zu 4G höheren Datenraten moderner 5G-Smartphones haben ihren Preis: So benötigen letztere mehr Siliziumfläche und mehr Strom. Ein Grund dafür ist, dass 5G-Chipsets mehr Funktionen und Komponenten integrieren. Der neue N6RF-Prozess von TSMC dieses Problem für 5G- und Wi-Fi-6/6e-Produkte lösen.

Dazu hat der Chiphersteller die integrierten Transistoren optimiert, so dass sie nach eigenen Angaben nun eine rund 16 % bessere Performance gegenüber der bisher eingesetzten 16-nm-RF-Technik erreichen. Neben dem verringerten Flächenbedarf sei es gleichzeitig gelungen, die Stromaufnahme zu reduzieren. Davon würden Sub-6-Gigahertz- und Millimeterwellen-(mmWave-)5G-HF-Transceiver sowie Wi-Fi-6/6e-Funkchips gleichermaßen profitieren.

Systemintegrationslösungen TSMC 3DFabric

Auch für die immer wichtigere heterogene Integration auf Chipebene hat TSMC sein Angebot ausgebaut und fasst seine 3D-Silizium-Stacking- und Advanced-Packaging-Techniken InFO, CoWoS und das SoIC als 3DFabric-Familie zusammen.

Für High-Performance-Computing-Anwendungen will TSMC noch 2021 größere Reticle-Größen für seine InFO_oS- und CoWoS-Packaging-Lösungen anbieten, die größere Grundflächen für Chiplet- und High-Bandwidth-Speicherintegration ermöglichen. Darüber hinaus soll die Chip-on-Wafer (CoW)-Version von TSMC-SoIC auf N7-on-N7 in diesem Jahr qualifiziert werden, wobei die Produktion für 2022 in einer neuen vollautomatischen Fabrik angestrebt wird.

Für mobile Anwendungen hat TSMC darüber hinaus seine InFO_B-Lösung vorgestellt. Diese ist darauf ausgelegt, einen leistungsstarken Prozessor für Mobilanwendungen in ein schlankes, kompaktes Gehäuse mit verbesserter Performance und Energieeffizienz zu integrieren und das DRAM-Stacking der Hersteller von Mobilgeräten auf dem Gehäuse zu unterstützen.

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