上周，台積電宣布了一種專爲高性能計算 (HPC) 產品量身定制的新制造工藝N4X。台積電承諾，新工藝將與台積電 N5 系列節點的晶體管密度和設計規則與以超高電壓驅動芯片以實現更高頻率的能力相結合，這對服務器 CPU 和 SoC 尤其有用。有趣的是，台積電的 N4X 甚至可以實現比該公司下一代 N3 工藝更高的頻率。

衆所周知，過去多年，晶體管尺寸縮小引起的問題之一是其觸點尺寸縮小，這意味着接觸電阻增加，從而導致功率傳輸出現問題。不同的制造商使用不同的方法來解決接觸電阻問題：英特爾使用鈷觸點而不是鎢觸點，而其他制造商選擇使用選擇性鎢沉積形成觸點技術。雖然這些方法幾乎適用於所有類型的芯片，但仍有一些方法可以進一步改善高性能計算 (HPC) 設計的功率傳輸，這些設計對於所使用的功率/電壓的總和相對不適度。這正是台積電對其 N4X 節點所做的。但在我們繼續詳細介紹新的制造工藝之前，讓我們先看看台積電承諾的優勢。

台積電聲稱，與使用 N5 制造的類似電路相比，其 N4X 節點的時钟頻率最高可提高 15%，與使用其 N4P 節點生產的 IC 相比，在 1.2V 下運行時的頻率最高可提高 4%。此外——而且似乎更重要的是——N4X 可以實現超過 1.2V 的驅動電壓，以獲得更高的時钟。將數字放在上下文中：在 N5 上制造的 Apple M1 系列 SoC 以 3.20 GHz 運行，但如果這些 SoC 是使用 N4X 生產的，那么使用台積電的數學計算，它們理論上可以被推到 3.70 GHz 左右或更高的頻率，電壓超過1.2V。

報道指出，台積電不會將 N4X 的晶體管密度與其 N5 系列的其他成員進行比較，但通常用於 HPC 應用的處理器和 SoC 不是使用高密度庫設計的。至於電源，與使用其他 N5 級節點生產的芯片相比，超過 1.2V 的驅動電壓自然會增加功耗，但由於該節點是爲 HPC/數據中心應用而設計的，因此它的重點是提供盡可能高的性能，功耗反而是次要問題。事實上，過去幾代 HPC 級 GPU 和類似部件的總功耗一直在增加，而且沒有跡象表明這種情況會在未來幾代產品中停止，這在一定程度上要歸功於 N4X。

台積電業務發展高級副總裁 Kevin Zhang 博士表示：“HPC 現在是台積電增長最快的業務部門，我們很自豪地推出 N4X，這是我們超高性能半導體技術‘X’系列中的第一個。“高性能計算領域的需求是無情的，台積電不僅定制了我們的‘X’半導體技術以釋放終極性能，而且還將其與我們的 3DFabric 先進封裝技術相結合，以提供最佳的高性能計算平台。”

爲了提高性能並使超過 1.2V 的驅動電壓成爲可能，台積電必須改進整個工藝堆棧。

首先，它重新設計了 FinFET 晶體管，並針對高時钟和高驅動電流對它們進行了優化，這可能意味着降低電阻和寄生電容並提高流過通道的電流。我們不知道它是否必須增加柵到柵間距，此時台積電沒有說明它究竟做了什么以及它如何影響晶體管密度。

其次，它引入了新的高密度金屬-絕緣體-金屬 (MiM) 電容器，可在極端負載下穩定供電。

第三，它重新設計了後端金屬堆棧，爲晶體管提供更多功率。同樣，我們不知道這如何影響晶體管密度和最終的芯片尺寸。

在很大程度上，英特爾爲其 10納米增強型 SuperFin（現在稱爲英特爾 7）工藝技術引入了類似的增強功能，這並不奇怪，因爲這些是提高頻率潛力的自然方法。

令人驚嘆的是，隨着時間的推移，台積電如何顯着提高其 N5 技術的時钟速度潛力。15% 的增長使 N4X 接近其下一代 N3 制造技術。同時，由於驅動電壓超過 1.2V，該節點實際上將啓用比 N3 更高的時钟，使其特別適合數據中心 CPU。

台積電表示，預計首批 N4X 設計將在 2023 年上半年進入風險生產階段，這是對時間的非常模糊的描述，因爲這可能意味着非常晚的 2022 年或 2023 年初。無論如何，通常需要一年時間才能完成芯片從風險生產到大批量生產迭代，因此預計首批 N4X 設計將在 2024 年初投放市場是合理的。N4X 有望在時钟方面具有優勢，而 N3 將在晶體管密度方面具有主要優勢。