台積公司N12e技術:驅動下一世代支援人工智慧及5G物聯網的邊緣裝置

全世界已佈滿數百億個物聯網裝置,所以物聯網不算是新興的領域了。市場研究機構IDC預估2025年以前物聯網裝置數量將超過4百億個,數據傳輸量將近80 zettabytes(註一),這些數字顯示出物聯網不是一個新萌芽的市場,然而5G與人工智慧的大趨勢將會驅動物聯網裝置的轉變進化,加強更多元的功能性以實現真正的邊緣運算。

目前市場上首波的物聯網裝置能夠提供前所未有的嶄新功能,因而獲得廣泛地採用,其中包括連結式喇叭、智慧門鈴、連結式安全監控攝影機、智慧手錶、穿戴式裝置等,這些裝置擁有創新性且突破了技術的界限,但是仍然存在些許限制,就物聯網裝置而言,主要的設計考量包括尺寸外觀、功耗效率、電池壽命、效能、以及連結性。

TSMC's N12e brings the power of FinFET to 5G and AI enabled IoT Edge Devices TSMC's N12e brings the power of FinFET to 5G and AI enabled IoT Edge Devices

智慧耳機聽起來很棒也具備新功能,但是使用者無法在搭乘國外航班時長時間持續使用;連結式安全監控攝影機會因為誤觸警示而傳送大量的影像資料至雲端;人們仍需調整聲音及語意來讓智慧喇叭進行辨識;穿戴智慧手錶的消費者往往會因為忘記攜帶充電電源而產生電量不足的憂慮。

下一世代的人工智慧及5G物聯網裝置將會有所轉變進化,在邊緣端提供嶄新層次的智慧化、功能性、連結性、可靠性、以及更具效能,更強大、更複雜的人工智慧神經網路更能夠模擬人類的大腦,深層神經網路(Deep Neural Network, DNN)與卷積神經網路(Convolutional neural network, CNN)能夠提供邊緣裝置能力,遠勝現今的物聯網裝置。

自然語音辨識 – 人們自然的語言能夠透過裝置被理解,在人工智慧推論移到邊緣端之後,反應延遲性將大幅改善,因此未連結到雲端時的功能性也能夠增強。

強化機器視覺 – 昆蟲、影子、或是動物經常誤觸連結式安全監控攝影機,在影像分類器移到邊緣端之後,支援人工智慧的連結式攝影機得以避免寵物及昆蟲誤訊號並藉由終端運算精確的臉部辨識進行持續監控,無須傳送高畫質影像至雲端進行推論辨識。

智慧化健康監控 – 人工智慧在醫療領域的應用日益普及,相較於醫療專業人員,能夠提供更佳的診斷精確性。同時由於智慧手錶強化了感測組件與效能,人工智慧邊緣推論能夠支援更好的健康狀態監控。

5G將會是影響許多技術領域的另一個大趨勢,在物聯網的框架之下,5G帶來更優異的連結性。

裝置連結密度 – 5G網路每0.38平方英里支援高達1百萬個裝置,而4G僅支援2,000個。(註二

裝置延遲性 – 相較於4G網路,5G網路將大幅改善延遲性,理論上可降低至1毫秒,較4G提升一個數量級(註三)。對於時序敏感的處理工作而言,例如強化汽車安全性或工業自動化,優異的延遲性特別重要。

人工智慧與5G加強版物聯網裝置將依種類與功能展現多樣性,此新世代裝置的共同要求則是運算效能需求增加,功耗效率的改善與電池壽命的延長亦同等重要,半導體技術必須日益精進,做為5G與人工智慧加強版物聯網裝置的基礎。

過去50年來,半導體奠基於20/22奈米或更成熟的平面式電晶體,平面式電晶體已達微縮的極限,無法有效對於短閘電晶體關閉狀態的漏電進行優異的控制。FinFET電晶體在微縮、效能、功耗效率、以及漏電上都有重大突破與躍進,目前台積公司量產的最先進5奈米製程即是採用FinFET技術。

N12e's FinFET faster performance and power efficiency including better leakage current N12e's FinFET faster performance and power efficiency including better leakage current

台積公司開發N12e技術,特別針對支援人工智慧化的物聯網裝置及其他高效率、高效能的邊緣裝置。N12e將台積公司世界級的FinFET電晶體技術帶入物聯網領域,傳承台積公司2013年首度問世的16奈米FinFET技術,經過多年來製程的開發與改善,N12e奠基於台積公司的12FFC+超低漏電技術。台積公司16/12奈米技術家族應用於現今的超級電腦、以及繪圖處理器與網路處理器等高效能運算裝置,如今台積公司具備優異效能的N12e技術更將推廣應用於新世代物聯網領域。

相較於台積公司22ULL技術,N12e技術提供:

  • 邏輯密度提升76% - 實現更小更具成本效益的設計,在相同特定面積上容納更多電晶體以增加運算核心與記憶容量。
  • 在特定功耗下速度增快49% - 在任何特定功耗水平上對於物聯網裝置都是一大躍進。相較於平面式技術,N12e技術具備更大的運算效能,能夠支援更優異的產品功能。
  • 在特定速度下功耗改善55% - N12e技術廣泛提供各種高效能與低功耗的選擇來支援多樣的產品設計。
  • SRAM漏電流降低超過50% - 對於延長電池壽命而言至為關鍵,同時能夠降低熱能產生與散熱。
  • 低Vdd設計生態系統解決方案 – 降低主動功耗與漏電功耗支援電池供電產品延長電池壽命。

支援物聯網產品的台積公司16/12奈米超高效能FinFET技術提供顯而易見的效能優勢,同時透過嚴密的參數調整更進一步提升功耗效率及降低漏電,尤其更大幅改善關閉狀態漏電特性。

隨著物聯網裝置演進至5G與人工智慧的時代,需要嶄新的基本半導體技術來支援更高效能、更佳功率與更低漏電的要求,台積公司N12e能夠在各種產品特性要求之間提供最佳的平衡,5G及人工智慧支援的嶄新物聯網裝置令人興奮且期待。

更多相關資訊請參見 n12e.tsmc.com

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參考資料
  1. International Data Corporate (IDC), "The Growth in Connected IoT Devices Is Expected to Generate 79.4 ZB of Data in 2025," 19 June 2019. [Online]. Available here.
  2. L. Notwell, "CIO.COM," CIO.COM, 2 November 2017. [Online]. Available here.
  3. S. Hill, "5G vs. LTE: What's the difference, and does it matter?," Digital Trends, 5 December 2019. [Online]. Available here.

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