In juni kwam het topmanagement van TSMC naar Amsterdam voor het TSMC 2022 EU Technology Symposium. Daar kregen de media veel feiten over de chipproducent voorgeschoteld over diens vorderingen op weg naar 2-nanometer chips. Ook werd duidelijk dat een TSMC-foundry in Europa nog geen gelopen race is, omdat er dan toch tal van vervolghandelingen in de geavanceerde fabrieken in Taiwan verricht moeten worden. De VS kunnen zich wel opmaken voor productie op eigen bodem.
– De halfgeleidersector kan nog steeds niet voldoen aan de vraag.
– Energieverbruik weegt in een toenemend aantal toepassingen al zwaarder dan zeer hoge prestaties.
– Huidige computerkracht onvoldoende om uitdagingen van deze tijd aan te gaan.
– ‘Samenwerken is de snelste weg naar vernieuwing.’
TSMC-symposium in Amsterdam: op stoom voor 2-nanometer chips
Het Taiwanese bedrijf TSMC is wereldwijd de grootste producent van chips en de integratie en verpakking daarvan tot geavanceerde chipsets. Met een portfolio van 75.000 gepatenteerde applicaties geldt de onderneming als toonaangevend in de halfgeleiderindustrie. De fabrieken in Azië (Taiwan, China, Japan) leverden vorig jaar met de inzet van 291 verschillende procestechnologieën 12.302 verschillende producten voor 535 afnemers. Ze genereerden daarmee in 2021 een omzet van ruim 15 miljard euro, aldus persinformatie van TSMC.
Het TSMC 2022 EU Technology Symposium vond eind juni plaats op Schiphol. Foto: TSMC
Capaciteitsuitbreiding
De gehele halfgeleidersector heeft over omzet niet te klagen met volgens Gartner een jaarlijkse groei van 25 procent. De wereldwijde omzet van halfgeleiderapparatuur steeg met 5 procent jaar op jaar tot 24,7 miljard dollar in het eerste kwartaal van 2022, aldus SEMI in haar Worldwide Semiconductor Equipment Market Statistics (WWSEMS) Report van juni. Nog steeds kan de sector niet voldoen aan de vraag. TSMC is bezig met capaciteitsuitbreiding in onder meer de Verenigde Staten (Arizona). Een fabriek in Europa wordt ook overwogen. Maar tot nu toe is er geen besluit genomen of die er komt en zo ja, waar. De kosten voor het uitbreiden van de productiecapaciteit zijn volgens TSMC fors toegenomen met CapEx-uitgaven van zo’n 500 miljoen euro in 2019 naar ongeveer 1,5 miljard euro in 2022, voor het produceren van zowel uitgerijpte als nieuwe, geavanceerde technologie en de integratie tot modules via het 3DFabric-procedé.
Hoge opstartkosten
De ontwikkelingen bij de fabriek in Arizona liggen op koers. In 2024 start de volumeproductie van de 5nm-generatie en komen nodes van het type N5, N5P, N4, N4P en waarschijnlijk ook N4X van de band rollen. Maar de opstartkosten zijn inmiddels nog hoger dan gepland, vanwege een haperende aanvoerlijn en hogere kosten voor het aantrekken van gespecialiseerd personeel. Volgens het gezaghebbende Amerikaanse online publicatieplatform Tom’s Hardware verwachten ze bij TSMC de hogere uitgaven te kunnen opvangen. Vergeleken met de vestigingen in Taiwan is de chipproductie in de Arizona-setting een stuk minder volwassen, waardoor er sprake is van een zekere leercurve.
Kosten voor uitbreiding van de productiecapaciteit zijn fors toegenomen
Duitsland?
De fors hogere investeringen voor het opzetten van een nieuwe productielocatie is ook een factor in de overwegingen om in Europa te gaan produceren. Veel wil het bedrijf er niet over kwijt, maar Duitsland schijnt enige tijd het beoogde land te zijn geweest. Kevin Zhang, senior vice president business development van TSMC, zei tijdens het TSMC 2022 EU Technology Symposium dat eind juni plaatsvond op Schiphol, dat er geen beslissing is genomen. Maar hij ontkende ook niet dat Duitsland in beeld is geweest. Wat niet onlogisch zou zijn, gelet op het ecosysteem bij onze oosterburen van toeleveranciers en partners en – nog veel belangrijker – een groot afzetgebied. Met voorop de automobielindustrie die volop investeert in het elektrificeren en slimmer maken van voertuigen.
Logistieke vraagstukken
Ondanks de ‘gegarandeerde’ afzet in Duitsland blijven de kosten van het opzetten van een fabriek volgens Zhang een punt. De prijs van bijvoorbeeld de EUV-wafersteppers van toeleverancier ASML drukken zwaar op de begroting van de Taiwanezen. Daarnaast spelen ook logistieke vraagstukken een rol. Want stel dat men er in Europa in relatief korte tijd in slaagt om op enige schaal via de vertrouwde FinFET-architectuur of misschien wel de innovatieve FinFlex-architectuur geavanceerde nodes van het type N5 en N3 (3nm) te fabriceren, dan zullen die eerst naar de TSMC-bedrijven in Azië moeten om aldaar van de wafers te worden losgemaakt, getest en verpakt in een behuizing. Pas daarna kunnen de modules als SOIC (small outline integrated circuit) naar de Europese klantenkring. De fabriek in Arizona draait over twee jaar; voor de productie in Europa is de race nog niet gelopen, zo maakte Zhang duidelijk.
Vorig jaar startte TSMC het Environmental Lab Initiative. Het wil in 2050 totaal emissievrij produceren. Bron: TSMC
State-of-the-art fab in Taiwan
Vandaag de dag kunnen op één chip meer dan 50 miljard transistoren worden geïntegreerd. De daarmee verkregen computerkracht is echter volgens Zhang niet voldoende voor de systemen waarmee we de grote uitdagingen van onze tijd kunnen aangaan, zoals de klimaatverandering of het uitbannen van ernstige ziektes. ‘Daarvoor is het noodzakelijk om een reeks van chips te integreren tot krachtige CPU-modules of chiplets’, aldus Zhang. Hun 3DFabric-technologie stelt de Taiwanezen in staat om geavanceerde CMOS-logica te combineren met hun SOIC-platform. In Taiwan is reeds een volledig geautomatiseerde fabriek operationeel die dit jaar SOIC gaat produceren en volgend jaar 3DFabric-operaties op grote schaal gaat uitvoeren. De geavanceerde verpakkingslijnen herbergen ook de Chip on Wafer on Subtrate (CoWoS)- en Integrated Fan-Out (InFO)-technologie.
Meer steun Taiwanese overheid
Voor die laatste technologie bestond ook in Nederland belangstelling. In het kader van een Nederlandse subsidieregeling voor onderzoekswerk op halfgeleidergebied dienden CITC, NXP, Nexperia en ASML gezamenlijk een plan in. Hun aanvraag is echter afgewezen. TSMC kan wellicht op meer steun van de Taiwanese overheid rekenen, gelet op de voortvarendheid waarmee na de bestaande 7nm- en 5nm-chipreeks wordt doorgepakt met de 3nm-lijn en zelfs al een 2nm-familie. De N3-node wordt nog dit jaar leverbaar in grotere volumes. TSMC handhaaft nog steeds de vertrouwde FinFET-architectuur, maar introduceert daarnaast voor 3nm een nieuwe architectuur aangeduid als FinFlex. Zowel op proces- als op ontwerpniveau biedt deze een keuzemogelijkheid tussen optimalisatie op prestaties of op laag stroomverbruik, of op een evenwichtige balans tussen beide. Chipontwerpers kunnen met dezelfde tools verschillende functionele blokken op een geïntegreerde schakeling aanspreken.
Energieverbruik belangrijker
Volgens Kevin Zhang wordt de factor energieverbruik steeds belangrijker en weegt die in een toenemend aantal toepassingen al zwaarder dan zeer hoge prestaties. Al vijftien jaar lang werkt TSMC aan de 2nm-transistorarchitectuur, aangeduid als Nanosheets. De N2 is de daarvoor geëigende node, waarvan de volumeproductie staat gepland voor 2025. De nanosheet-transistoren in samenhang met Design-Technology Co-Optimization (DTCO) bieden volledige node-functionaliteit en zijn in vergelijking tot de N3E 10 tot 15 procent sneller bij een gelijk energiegebruik of kennen 25 tot 30 procent minder energiegebruik bij gelijke prestaties.
Minder uitstoot en waterverbruik
Gelijktijdig met de inspanningen om het energiegebruik van de nieuwe generatie nodes te verlagen, zet TSMC in op vergroening van de productieactiviteiten, zowel aan de front-end als aan de back-end. Het concern staat als enige in de halfgeleidersector al 21 jaar op rij vermeld in de Dow Jones Sustainability Indices. Vorig jaar lanceerden de Taiwanezen het zogeheten Environmental Lab Initiative. Aan de toename van de emissies moet in 2025 een einde komen. In 2030 mag die uitstoot niet hoger zijn dan het niveau in 2020. De doelstelling is om in 2050 totaal emissievrij te kunnen produceren. Dit jaar ging de onderneming buiten de eigen fabrieksmuren aan de slag met een aparte terugwininstallatie voor afvalwater van bedrijven en huishoudens in de nabije omgeving. De installaties, met een capaciteit van 113,56 liter per seconde, komen ook bij drie andere TSMC-vestigingen in Taiwan. Het doel is om in 2030 nog maar 60 procent van het gebruiksniveau van 2020 aan water te gebruiken.
‘Zonder samenwerking geen innovaties’
In 2008, toen de 45nm de toon zette in de halfgeleidersector, lanceerde TSMC het Open Innovation Platform (OIP). Doel was de complexiteit bij het ontwerpen van IC’s te verminderen door vanuit een gemeenschappelijk belang met partners uit de sector zoals Cadence, Synopsys, imec en Siemens intensief te gaan samenwerken op het terrein van Electronic Design Automation (EDA) en ontwerpmethodieken. Met die samenwerking werd een verkorting van het gehele traject bewerkstelligd, van ontwerp tot aan de levering van chips in grote volumes. En dat voor de gehele bedrijfstak.
Volgens Suk Lee, tot voor kort vice president TSMC Design Infrastructure Management Division, functioneert OIP tegenwoordig als een robuust en tevens dynamisch ecosysteem dat ’silicon’ innovaties in de VS en andere landen in de wereld mogelijk maakt door het verlagen van de barrières bij het delen van ontwerpspecificaties. Het ecosysteem telt 16 EDA-partners, 6 cloudpartners, 37 IP-partners voor het delen van patenten, 21 ontwerppartners binnen Design Center Alliance (DCA) en 8 Value Chain Aggregator (VCA)-partners voor vermeerdering van de waardeketen, zoals imec, Alchip, ICC, Toppan en OpenFive. De patentenportfolio omvat meer dan 40.000 titels op intellectuele eigendomsrechten met betrekking tot 38.000 technologieën en 2.600 procesontwerpsets voor IC’s van 0,5-micron tot 3nm. Lee: ‘De samenwerking is gebaseerd op de overtuiging dat voor innovaties in de halfgeleidersector, waar iedereen al gauw op natuurkundige en praktische barrières stoot, partijen elkaar nodig hebben om resultaten te behalen, ondanks hun verschillende commerciële belangen.’
Op het TSMC 2022 EU Technology Symposium waren naast de topbestuurders van TSMC ook de ceo’s van Infinion, VW-Group en NXP aanwezig. Kurt Sievers, ceo van het Eindhovense concern met veel klandizie in de automotive, maakte in zijn voordracht de beschikbaarheid bekend van de eerste testexemplaren van TSMC’s Asil-D 5 nanometer SoC. Die gaat het hart vormen van NXP’s automotive platform: de S32 processorreeks. ‘Samenwerken is de snelste weg naar vernieuwing’, aldus Sievers. ‘TSMC is onze belangrijkste partner bij het ontwikkelen van toepassingen in de mobiele en edge computing markt.’
