TSMC heeft woensdag op het North American Technology Forum zijn routekaart voor geavanceerde procestechnologie aangekondigd die zich uitstrekt tot 2029. Het sorteerde systematisch de nieuwe generatie processen (A12, A13) op het 1,2 nm- en 1,3 nm-niveau. Het kondigde onverwacht het nieuwe lid van de N2-familie aan, N2U, en bevestigde dat EUV-lithografiemachines met hoge numerieke apertuur (High-NA) nog niet vóór 2029 in de knooppuntplanning zijn geïntroduceerd.

Vergeleken met specifieke knooppuntparameters benadrukt TSMC deze keer zijn ‘multi-path’-strategie in de evolutie van knooppunten: het adopteren van gedifferentieerde procesritmes voor verschillende eindmarkten, in plaats van alle applicaties te bestrijken met één enkel universeel knooppunt.

Afgaande op veranderingen in de omzetstructuur kwamen de belangrijkste inkomsten van TSMC in het verleden uit smartphones, maar de afgelopen jaren heeft de groei van de activiteiten op het gebied van kunstmatige intelligentie en high-performance computing (HPC) die van de mobiele telefoonsector overtroffen. Deze trend komt duidelijk terug in de nieuwste roadmap. Het bedrijf differentieert zijn leidende processen op basis van terminalbehoeften: de ene route lanceert elk jaar een nieuwe generatie processen voor client- en mobiele telefoonproducten, en de andere lanceert elke twee jaar een generatie knooppunten gericht op het verbeteren van de prestaties voor AI en HPC. Voor de mobiele telefoon- en clientmarkt omvat het N2-, N2P-, N2U-, A14- en A13-processen, waarbij de nadruk ligt op kosten, energie-efficiëntie, IP-hergebruik en ontwerpcompatibiliteit, en het accepteren van stapsgewijze verbeteringen in "kleine stappen per jaar". Degenen die zich richten op de AI/HPC-markt zijn onder meer A16 en A12, die een prestatieverbetering moeten bieden die aanzienlijk genoeg is om klanten te ondersteunen bij de overstap naar duurdere nieuwe knooppunten. Tegelijkertijd hebben kostenfactoren in dit marktsegment een relatief lage prioriteit.

Voor de klantroute heeft TSMC vorig jaar het A14-proces uitgebracht, dat gebruik zal maken van de tweede generatie gate-all-around (GAA) nanosheet-transistors en zal samenwerken met NanoFlex Pro-technologie. Het is de bedoeling dat het in 2028 het vlaggenschipknooppunt zal zijn voor high-end smartphones en klantproducten. De nieuw aangekondigde A13 dit jaar is een optisch gekrompen versie gebaseerd op de A14. Door de lijnbreedte met ongeveer 3% te verkleinen, wordt een toename van de transistordichtheid van ongeveer 6% bereikt, terwijl de volledige compatibiliteit met de A14 behouden blijft in termen van ontwerpregels en elektrische kenmerken, waardoor klanten extra energie-efficiëntievoordelen krijgen met minimale R&D- en verificatiekosten. Deze aanpak zet de eerdere optische schaaltraditie van TSMC voort op N12, N6, N4, N3P en andere knooppunten, maar de algemene voordelen liggen meer in de richting van een milde “micro-upgrade” dan in een uitgebreide “hele knooppuntsprong”. Om daarentegen de volledige voordelen van A14 op het gebied van stroomverbruik, prestaties en dichtheid volledig te benutten, moeten chip- en IP-ontwerpers een nieuwe toolketen, IP en ontwerpmethoden adopteren; terwijl A13 ontwerp-processamenwerkingsoptimalisatie (DTCO) gebruikt om incrementele voordelen te bieden die direct kunnen worden gerealiseerd zonder het bestaande ontwerp te veranderen. Volgens het plan van TSMC zal de A13 naar verwachting in 2029 in massaproductie gaan.

Naast de A14/A13-route is TSMC ook van plan een goedkoper upgradepad-N2U aan te bieden voor klanten die in het N2-platform hebben geïnvesteerd. N2U is de derdejaars uitgebreide versie van het N2-platform. Het zorgt ook voor een prestatieverbetering van 3%-4% (bij hetzelfde stroomverbruik) via DTCO, of een reductie van het stroomverbruik van ongeveer 8%-10% met behoud van dezelfde snelheid, en zorgt ook voor een toename van 2%-3% in de logische dichtheid. De nieuwe knooppunten blijven compatibel met het IP-adres van N2P, wat betekent dat klanten bestaande IP kunnen gebruiken om nieuwe producten te ontwikkelen zonder naar een nieuw proces te migreren. Dit is vooral geschikt voor ontwerpscenario's die zich verplaatsen van high-end platforms naar productlijnen uit het middensegment. TSMC-technologie R&D-directeur Zhang Xiaoqiang zei dat het bedrijf de prestaties, het energieverbruik en de dichtheidsprestaties zal blijven verbeteren door middel van daaropvolgende afgeleide versies nadat het knooppunt is geïntroduceerd, waardoor klanten progressieve PPA-voordelen (prestaties, energieverbruik, oppervlakte) kunnen verkrijgen terwijl de ontwerplevenscyclus wordt verlengd.

Op het gebied van hoogwaardige datacenters en AI-training was N2 aanvankelijk gericht op zowel klanten als datacenters, maar TSMC plande de A16 ook met een stroomvoorzieningsarchitectuur aan de achterkant om het prestatiepotentieel verder te ontsluiten. A16 kan in wezen worden beschouwd als een proces dat de backpower-oplossing Super Power Rail (SPR) op basis van N2P overkoepelt. Het maakt nog steeds gebruik van de eerste generatie GAA-transistoren op nanoschaal en is aanzienlijk beter dan N2 en N2P in termen van energieverbruik, prestaties en transistordichtheid, maar de kosten stijgen ook. Het is vermeldenswaard dat TSMC A16 nu markeert als het "massaproductieknooppunt voor 2027", wat neerkomt op een verschuiving van 2026 naar 2027 vergeleken met het eerder gecommuniceerde tijdschema. Het bedrijf legde uit dat het A16-knooppunt in 2026 klaar zal zijn voor massaproductie, maar dat het daadwerkelijke tempo van de massaproductie nog steeds afhangt van de plannen voor klantintroductie, dus de algemene tijdlijn is uitgelijnd op 2027. Vóór de komst van A16 zal TSMC N2X niet volledig vervangen door A16 - de laatste is een variant van N2P die de prestaties verbetert en extreme klokken verder nastreeft onder traditionele voeding aan de voorkant. Het is nog steeds gericht op hoogwaardige toepassingen die hoge frequenties nastreven.

Na A16 wordt het stokje overgedragen aan A12. Er wordt verwacht dat A12 in 2029 een upgrade op 'hele knooppuntniveau' naar knooppunten op datacenterniveau zal brengen. De evolutielogica is vergelijkbaar met de relatie tussen A14 en N2: vertrouwen op de tweede generatie nanosheet GAA- en NanoFlex Pro-technologie om grotere alomvattende verbeteringen in prestaties, energieverbruik en dichtheid te bereiken. Hoewel TSMC nog geen specifieke kwantitatieve indicatoren heeft bekendgemaakt, kan A12 vanuit een technisch raamwerkperspectief worden beschouwd als een ‘nieuw vlaggenschipknooppunt voor datacenters’, uitgerust met de tweede generatie GAA en een meer volwassen oplossing voor stroomvoorziening aan de achterkant. Het bedrijf benadrukte ook dat de evolutie van A16 naar A12 niet alleen een vermindering van de geometrische omvang inhoudt, maar ook een systematische optimalisatie van het back-power supply-pad, de stroomintegriteit en de algehele bedradingsarchitectuur omvat. Alleen door het gelijktijdig comprimeren van de front-end (front-end bedrading en actief gebied) en back-end (back-voeding) afmetingen kan de algehele dichtheidswinst worden bereikt.

Een opvallende technologiekeuze in de hele routekaart is dat TSMC’s geplande geavanceerde knooppunten zoals A13 en A12 tot 2029 geen gebruik zullen maken van High-NA EUV-lithografiemachines. Dit staat in schril contrast met de strategie van Intel om High-NA EUV te introduceren op 14A en daaropvolgende knooppunten vanaf 2027-2028. TSMC's technisch directeur Zhang Xiaoqiang zei dat het R&D-team van het bedrijf nog steeds voldoende processchaalruimte heeft kunnen uitgraven op het bestaande EUV-platform, en dat het niet nodig is om onmiddellijk over te schakelen naar duurdere en complexere High-NA-apparatuur; op een bepaald moment in de toekomst zal High-NA misschien moeten worden ingevoerd, maar momenteel kan het nog steeds de technologische evolutie blijven bevorderen onder het bestaande EUV-systeem. Gezien de kostendruk en de beschikbaarheid van productiecapaciteit betekent deze strategie om de adoptie van High-NA uit te stellen dat TSMC hoopt een evenwicht te vinden tussen het behoud van het concurrentievermogen en het beheersen van de kapitaaluitgaven, terwijl tegelijkertijd de levenscyclus van bestaande tools en platforms zoveel mogelijk wordt verlengd door middel van gezamenlijke ontwerp- en procesoptimalisatie.