2-нм чипы стали новой главной целью. Это из полупроводниковой промышленности. Речь идёт уже не о далёкой концепции, а о технологии, которая начинает внедряться в реальное производство и которая определит направление развития следующих поколений процессоров, видеокарт и однокристальных систем для потребителей, центров обработки данных и искусственного интеллекта.
Al mismo tiempo, Переход к 2 нм оказывается отнюдь не простым делом.Стремительный рост цен, узкие места в передовых технологиях упаковки, сомнения в выходе годных пластин и жесткая конкуренция между TSMC, Intel и Samsung, в то время как такие игроки, как Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm, Fujitsu или Broadcom, стремятся по-своему извлечь выгоду из этой новой литографии.
Что на самом деле означает сегодня 2-нм чип?
Прежде всего, следует уточнить, что на данный момент, Цифра «2 нм» — это скорее маркетинговый ход, чем точное физическое измерение.Этот метод больше неточно описывает длину затвора транзисторов, расстояние между ними или другие конкретные геометрические параметры. Каждый производитель (TSMC, Intel, Samsung и т. д.) определяет свои технологические процессы по своему усмотрению, комбинируя различные внутренние метрики, что значительно усложняет прямое сравнение между процессами.
Тем не менее, этот термин продолжает использоваться, поскольку он обозначает чрезвычайно продвинутая категория интеграцииЭто связано с более высокой плотностью транзисторов, лучшей производительностью и меньшим энергопотреблением на операцию по сравнению с предыдущими технологическими узлами, такими как 5 нм, 4 нм или 3 нм. Другими словами, хотя «нанометры» больше не являются буквальным обозначением, они служат для указания того, на каком этапе технологического развития находится каждый узел.
На практике переход от процессов с разрешением 3 нм или 4 нм к 2 нм включает в себя получить более быстрые или более эффективные чипы, или добиться лучшего баланса между ними.Это означает больше ядер, больше кэш-памяти, больше блоков искусственного интеллекта и более высокие частоты при том же размере чипа, или же сохранение аналогичной производительности при значительном снижении энергопотребления.
Таким образом, литография с разрешением 2 нм — это не просто вопрос маркетинга: Это основа для следующей волны высокопроизводительных продуктов.От процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков до ускорителей искусственного интеллекта и суперкомпьютеров, включая высокопроизводительные мобильные SoC.
От FinFET к GAAFET/нанолистам: смена поколений в транзисторах.
Одним из главных достижений, связанных с 2-нм техпроцессом, является не только «номинальный» размер узла, но и тип транзисторов. В отрасли происходит отход от традиционных FinFET-транзисторов., которые послужили основой для технологий 22 нм/16 нм, перешли к архитектурам типа GAAFET (Gate-All-Around), также известным как нанолисты или наноламинаты.
В транзисторах FinFET затвор частично окружает канал транзистора, тогда как в транзисторах GAAFET затвор частично окружает канал транзистора. Ворота полностью окружают канал.Это обеспечивает гораздо более точное управление потоком тока. Это позволяет снизить утечку, улучшить теплоотвод и обеспечить дальнейшее масштабирование напряжения и частоты даже при значительном увеличении плотности транзисторов.
Например, компания TSMC назвала свой подход следующим образом: Нанолист N2 с технологией NanoflexЭта стратегия позволяет комбинировать нанолисты различной высоты и плотность логических ячеек на очень малой площади, адаптируя конструкцию в зависимости от части чипа: одни области оптимизированы для максимальной производительности, а другие — для энергоэффективности.
Компания Samsung уже некоторое время изучает различные варианты GAAFET, и Он даже рассматривал альтернативные материалы, такие как молибден. для улучшения подвижности электронов и более эффективного решения тепловых проблем, возникающих при дальнейшей миниатюризации. Компания Intel, со своей стороны, рассказывает о своих транзисторах GAA на основе нанолистов. узлы, такие как 20A и 18Aгде эта архитектура также сочетается с системами питания на обратной стороне чипа.
Какие улучшения обещают 2-нм техпроцессы?
Производители обычно предоставляют данные, сравнивая технологический узел с его непосредственным предшественником. В случае с 2-нм техпроцессом, Обсуждаемые цифры весьма прибыльны.Однако они всегда зависят от конкретной конструкции микросхемы и типа рабочей нагрузки:
По словам Абхиджита Чакраборти, архитектора программного обеспечения в компании Synopsys, клиент, переходящий с 3-нм техпроцесса на 2-нм, может ожидать примерно следующее:
- Повышение производительности на 10–15%. при той же мощности.
- Снижение энергопотребления на 20–30%. с одинаковой производительностью.
- Примерно на 15% больше плотности транзисторов в том же районе.
Компания TSMC приводит аналогичные показатели для своего узла N2 по сравнению с узлом N3E: Повышение производительности до 15% или снижение энергопотребления на 30%.Благодаря нанолистовым транзисторам Nanoflex, плотность транзисторов в которых увеличивается в 1,15 раза, именно это сочетание производительности и эффективности побуждает таких гигантов, как Apple и NVIDIA, резервировать мощности на этом техпроцессе задолго до начала производства.
От имени Intel Бен Селл, вице-президент по разработке технологий, подчеркнул, что в эквивалентных 2-нм техпроцессах, таких как 18A, Приоритет заключается не только в достижении более высоких частот.Однако цель состоит в том, чтобы повысить производительность на ватт и уменьшить площадь, необходимую для обеспечения заданного уровня вычислительной мощности. С точки зрения рынка, это означает большую мощность в том же корпусе или значительно большую эффективность при сохранении производительности.
В любом случае, скачок на 2-3 «нанометра маркетинга» заметен на практике: Разница между 5 нм и 3 нм оказалась значительной. Для таких производителей, как AMD, NVIDIA, Qualcomm или Apple, переход на 2-нм техпроцесс следует тому же пути, хотя и с гораздо более высокими производственными затратами и возрастающими техническими трудностями.
TSMC: лидер, задающий темп развития 2-нм техпроцесса.
Компания TSMC на протяжении многих лет является лидером в этой области. крупный «теневой производитель» половины технологического сектораИх заводы производят чипы для мобильных телефонов, видеокарт, процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков, процессоров для серверов, игровых консолей и многого другого. Их доля на рынке передовых технологий производства микросхем составляет около 60%, что обеспечивает им явное и доминирующее положение.
Компания уже начала работу. производство кремниевых пластин на узле N2 Основанная на нанолистовой технологии, знаменитом «2-нм» узле, эта технология представляет собой переход от N3E к другому поколению, не только из-за самой литографии, но и из-за скачка от FinFET к транзисторам GAA с использованием технологии Nanoflex. Одним из первых крупных клиентов, которые смогут воспользоваться преимуществами этой технологии, станет AMD, которая, как сообщается, завершила разработку своих будущих ПЗС-матриц для архитектуры Zen 6 на узле N2, запуск которых запланирован примерно на 2026 год.
В дополнение к N2 компания TSMC разработала полное семейство производных процессов:
- N2P, ориентированный на повышение энергоэффективности.
- N2X, ориентированный на экстремальная производительность для применений с высоким TDP.
- A16 SPR — ещё более совершенная технология с задним источником питания (Super Power Rail).
В случае с A16 SPR предварительные данные указывают на возможность до На 8-10% быстрее, чем N2P при том же напряжении или при снижении потребления на 15-20% с сохранением производительности. Заглядывая в будущее, TSMC также обозначила свою дорожную карту для A14, обещающую до 1,8 раз большую производительность при той же выходной мощности и до 4,2 раз лучшую энергоэффективность в определенных сценариях.
Для поддержания этого наступления компания TSMC выделила средства. для производства 2-нм техпроцесса необходимо как минимум два ключевых завода (Fab 20 и Fab 22).Речь идёт не только о модернизации оборудования: миллиарды долларов необходимо инвестировать в ещё более совершенное оборудование для EUV-литографии, метрологические системы, новые линии упаковки и тестирования, а также всю инфраструктуру, связанную с таким сложным технологическим процессом.
Узкое место в развитии передовой упаковки: CoWoS-L и компания.
Обратная сторона медали заключается в том, что клиенты TSMC больше не хотят просто "2-нм пластину" и ничего больше. Основной спрос сосредоточен на сложных микросхемах с передовой упаковкой.например, CoWoS-L, способный интегрировать несколько кристаллов на сверхплотной подложке и во многих случаях с многослойной памятью.
CoWoS-L позволяет размещать несколько чипов (процессор, графический процессор, кэш-чиплеты, HBM и т. д.) на кремниевой межсоединительной плате или аналогичном материале. чрезвычайно плотные, высокоскоростные межсоединенияПроблема заключается в том, что этот тип упаковки создает дополнительные сложности, такие как термическое расширение: разные материалы расширяются неравномерно с повышением температуры, что может вызывать деформации, механические напряжения, микротрещины или отказы соединений.
По оценкам, По имеющимся данным, NVIDIA зарезервировала около 70% производственных мощностей TSMC по выпуску CoWoS-L.Это привело к значительному дефициту таких передовых пакетов для других клиентов. Такие продукты, как графические процессоры NVIDIA для искусственного интеллекта, процессоры AMD EPYC с 3D V-Cache и будущие процессоры Xeon с большими блоками кэша, именно такая интеграция необходима для достижения высоких показателей производительности.
Это узкое место уже привело к видимым последствиям: Компания TSMC вынуждена отложить поставки продукции, связанной с архитектурой Blackwell от NVIDIA.В качестве причин указываются проблемы с производительностью CoWoS-L и ограничения пропускной способности. В то же время компания готовит свой техпроцесс A16 (около 1,6 нм) с технологией Super Power Rail, для которого NVIDIA уже указана в качестве приоритетного клиента.
В заключение, хотя литография с разрешением 2 нм является главной новостью, Значительная часть ценности (и проблем) обусловлена 2.5D и 3D упаковкой.Конструкции на основе чиплетов, многоуровневого кэша и памяти, расположенной рядом с вычислительными узлами, позволяют в полной мере использовать преимущества этих технологических узлов, и именно здесь TSMC необходимо очень быстро наращивать свои мощности.
Intel и Samsung: другие претенденты на доминирование на рынке 2-нм техпроцесса.
По мере укрепления лидерских позиций TSMC, Intel и Samsung рассматривают 2-нм техпроцесс как стратегическую возможность. вернуть утраченные позиции и убедить внешних клиентов в конкурентоспособности своей технологии, причем не только в отношении собственной продукции.
Компания Samsung переживает трудные времена: В 2023 году выручка компании от продаж полупроводников снизилась примерно на 37,5%. По данным Gartner, компании пришлось скорректировать свои планы расширения и численность персонала по сравнению с 2022 годом. Тем не менее, она сохраняет свою цель обогнать TSMC и других конкурентов, таких как Intel, в течение пяти лет, как заявил её бывший генеральный директор подразделения полупроводников Кье Хён Кён.
Стратегия Samsung включает в себя запустить свои техпроцессы GAAFET и подготовиться к массовому производству 2-нм техпроцесса. Samsung начнет реализацию своей производственной стратегии, когда этого потребует рыночный спрос, как для мобильных SoC, так и для высокопроизводительных решений для центров обработки данных. Компания работает над передовыми технологиями упаковки и альтернативными материалами для смягчения тепловых проблем, связанных с экстремальным масштабированием. Более подробную информацию о производственной стратегии Samsung можно найти по ссылке [ссылка на веб-сайт/ресурс Samsung]. их план по производству ядер Exynos.
В случае с Intel подход несколько иной. Пэт Гелсингер, бывший генеральный директор компании, пообещали вернуть себе лидерство в производственных процессах. Компания Intel разработала амбициозную стратегию развития, включающую в себя последовательное внедрение таких процессоров, как Intel 4, Intel 3, 20A и 18A. Финансовый директор компании Дэйв Зинссер сообщил, что Intel было решено отказаться от маркетинга 20A. чтобы сэкономить около 500 миллионов долларов, перераспределив часть этих ресурсов в 18A.
Бен Селл подтвердил, что Сплав 18A достиг необходимой зрелости для запуска крупномасштабного производства в 2025 году.С точки зрения маркетинга, этот техпроцесс находится в диапазоне 2 нм (приблизительно 1,8 нм) и сочетает в себе транзисторы GAA нанолистового типа с системами питания на задней панели кристалла, что очень соответствует тому, что TSMC предлагает с A16 SPR.
Для Intel главная задача заключается не только в выпуске собственных процессоров на базе архитектуры 18A, таких как Panther Lake или будущие семейства, но и в следующем: завоевать доверие сторонних компаний в своем литейном подразделении. и производить там свои высокотехнологичные разработки. Ключевым моментом станет демонстрация конкурентоспособного выхода годных пластин, стабильности производства и надежных сроков поставки по сравнению с TSMC.
Fujitsu, Broadcom и достижение 2-нм рубежа в суперкомпьютерных технологиях
Пока потребительские гиганты совершенствуют свои сети, Fujitsu и Broadcom заявили о себе в области высокопроизводительных вычислений и высокоуровневого искусственного интеллекта.В сотрудничестве с TSMC они начали производство 2-нм SoC под названием FUJITSU-MONAKA, предназначенного для следующего крупного японского суперкомпьютера FugakuNEXT, возглавляемого RIKEN.
Этот чип был разработан специально для решения масштабных задач суперкомпьютерных вычислений и задач искусственного интеллекта. Он имеет 144 ядра и корпус 3,5D (XDSiP).Это подразумевает еще более высокий уровень интеграции, чем в типичных 2.5D-системах. Цель состоит в том, чтобы объединить огромную вычислительную мощность с низким энергопотреблением, что является абсолютным приоритетом для машин такого уровня.
Чтобы прокормить такого монстра, компания FUJITSU-MONAKA интегрирует... подсистема памяти с двенадцатью каналами DDR5В дополнение к поддержке PCIe 6.0 и CXL 3.0, это сочетание делает его идеальным кандидатом для гигантских рабочих нагрузок в области искусственного интеллекта и чрезвычайно требовательных научных симуляций, где задержка и пропускная способность памяти так же критичны, как и вычислительная мощность.
Хотя это и не первый анонсированный 2-нм чип, Примечательно, что компания одной из первых в этом сегменте начала серийное производство, причем по заказу конкретного клиента.Вместо того чтобы оставаться на стадии презентаций PowerPoint и пресс-релизов, ожидается, что к 2027 году технология Fujitsu начнет применяться в центрах обработки данных и суперкомпьютерах, что укрепит позиции компании в сегменте высокопроизводительных вычислений по сравнению с такими конкурентами, как AMD (Instinct), NVIDIA (Grace, Grace Hopper) и Intel (Xeon, Gaudi).
Этот шаг демонстрирует, что 2-нм техпроцесс — это не только вопрос для высокопроизводительных мобильных телефонов или персональных компьютеров: Суперкомпьютеры и высокоэффективный искусственный интеллект — одни из первых областей, где чипы, созданные на основе этой технологии, будут работать на полную мощность.Потому что именно там вы платите больше всего за каждый сэкономленный ватт и каждый дополнительный процент производительности.
Влияние 2-нм техпроцесса на ПК, мобильные устройства и домашнюю технику.
Если мы посмотрим на среднестатистического пользователя, то увидим, что сегодня большинство процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков, используемых дома, по-прежнему работают на таких технологиях, как... 5 нм и 7 нм в случае AMD Ryzenа также эквивалентные или немного более старые технологические процессы в некоторых линейках продуктов Intel. В мобильных устройствах высокопроизводительный диапазон уже составляет около 3 и 4 нм, примерами чего являются чипы Apple или некоторые SoC от Qualcomm и MediaTek.
В этом контексте В ближайшее время мы не увидим массового производства "полноценных" настольных процессоров, полностью изготовленных по 2-нм техпроцессу.Стоимость одной кремниевой пластины резко возрастает примерно на 50% и более при переходе от 5 нм к 3 нм, а затем к 2 нм, и прибыльность оправдана только в сегментах, где маржа на чип очень высока, таких как графические процессоры для ИИ, серверные процессоры или сверхпремиальные SoC.
В условиях внутреннего рынка непосредственная тенденция такова: отдавайте предпочтение гетерогенным конструкциям с несколькими производственными узлами в одном и том же изделии.Intel уже использует различные литографические технологии в одном корпусе для объединения высокопроизводительных ядер, энергоэффективных ядер, интегрированной графики и контроллеров ввода-вывода с учетом оптимальной стоимости. AMD придерживается аналогичного подхода: передовая литография для основных чиплетов (ПЗС-матриц) и более зрелая для кристаллов ввода-вывода.
Это означает, что в среднесрочной перспективе мы, скорее всего, увидим гибридные продукты, в которых некоторые части чипа (например, основной вычислительный блок, нейронный процессор или определенные кэш-чиплеты) действительно изготавливаются по 2-нм техпроцессу.В то время как другие останутся на более дешевых техпроцессах, таких как 3 нм, 4 нм или даже 6 нм. Цель состоит в том, чтобы сбалансировать соотношение стоимости, производительности и энергопотребления, не увеличивая при этом существенно конечную цену для потребителя.
Расширение использования ИИ во всех сегментах усилило давление: теперь Практически каждому современному SoC или CPU необходимо интегрировать выделенный нейронный процессор или ускоритель. для эффективного запуска моделей ИИ. Это увеличивает сложность проектирования и требует более специализированной логики на чипе, для чего 2-нм техпроцесс очень привлекателен, но и очень дорог.
Стоимость, выход годной пластины и почему не все пока перейдут на новый уровень.
Современные технологии литографии всегда были дорогими, но с появлением литографий с разрешением 3 нм и 2 нм... Сумма законопроекта взлетела до таких высот, что заставляет дважды подумать.Говорят, что стоимость одной 2-нм кремниевой пластины может составлять от 25 000 до 30 000 долларов, в зависимости от рентабельности TSMC и, прежде всего, от достигнутого выхода годных изделий.
В начале жизненного цикла узла... Выход годной пластины, как правило, можно значительно улучшить.Появляется все больше дефектных чипов, все больше непригодных для использования пластин и требуется все больше корректировок технологических процессов. Крупные производители стремятся достичь как минимум 70% выхода годных изделий на своих 2-нм техпроцессах, чтобы сделать их действительно прибыльными и привлекательными для клиентов. До тех пор, пока этот порог не будет достигнут, цены и ограничения по производственным мощностям остаются очень высокими.
Это объясняет, почему во многих проектах по-прежнему используются технологические узлы, такие как 3 нм, 4 нм или 5 нм, где Баланс между производительностью, энергопотреблением и стоимостью уже превосходен.Обосновать переход на 2-нм техпроцесс для продукции среднего или малого объема, такой как процессор среднего класса или SoC для устройств невысокого ценового сегмента, становится сложно, когда стоимость кремниевой пластины увеличивается почти вдвое.
Вдобавок ко всему этому, в период с 14 нм до 5 нм отрасль столкнулась с... этап очень быстрого и относительно «чистого» прогрессаЭто особенно актуально для TSMC, которая успешно перешла на 7-нм и 5-нм техпроцессы. Темпы изменений, в сочетании с бумом центров обработки данных для искусственного интеллекта и взрывным ростом потребительской электроники, довели производственные мощности и необходимые инвестиции в новые заводы до предела.
В отличие от этого, переход Intel с 10-нм техпроцесса на эквивалентный 7-нм был гораздо более сложным, с задержками и проблемами с производительностью, которые стоили компании доли рынка. Этот контраст ясно показывает, что Каждый новый усовершенствованный узел сложнее и дороже предыдущего.И дело в том, что недостаточно просто уменьшить размеры транзисторов: архитектуру, корпус и системы питания необходимо перепроектировать практически с нуля.
Чего может ожидать конечный пользователь от 2-нм чипов?
Рассматривая это с точки зрения повседневного использования, 2-нм чипы не станут «волшебным» скачком, подобным тому, который мы наблюдали более десяти лет назад.Когда новое поколение сократило потребление вдвое, эпоха великих чудес миниатюризации закончилась; теперь мы говорим о более постепенных, но тщательно продуманных улучшениях.
В ближайшие годы влияние 2 нм впервые проявится в... сегменты высокого класса и профессиональные сегментыСерверы, рабочие станции, ускорители ИИ, универсальные графические процессоры, а позже — смартфоны и ноутбуки премиум-класса. Именно здесь каждое небольшое улучшение производительности на ватт превращается в многомиллионные контракты и реальное конкурентное преимущество.
Для пользователя это означает: команды, способные запускать более крупные модели ИИ локальноБолее сложные игры с более высокой частотой кадров и меньшим энергопотреблением, меньшим временем рендеринга и компиляции, а также мобильные устройства, которые дольше сохраняют высокую производительность без перегрева.
В среднесрочной перспективе наиболее интересным будет следующее: сочетание этих узлов с 3D-упаковкой и конструкциями на основе чиплетов.Более многослойная компоновка кристаллов, память, расположенная значительно ближе к вычислительным блокам, очень высокоскоростные внутренние межсоединения и растущая специализация каждого чиплета в соответствии с его функцией (ЦП, ГП, НПУ, кэш, ввод-вывод…).
Все эти технологии позволяют донести сообщение до потребителя («новый чип, быстрее и эффективнее»). Возможно, это всё ещё верно, но за этим скрывается всё более сложная инженерная разработка.2 нм — это лишь один элемент гораздо более сложной головоломки, где каждая деталь имеет значение для того, чтобы максимально эффективно использовать каждый ватт доступной энергии.
Серийное производство уже не за горами, и первые реальные проекты уже реализуются. 2-нм чипы суждено стать сердцем следующего поколения процессоров и ускорителей.Мы не увидим резких изменений из года в год, а скорее устойчивый прогресс, в котором TSMC, Intel и Samsung будут конкурировать за технологическое лидерство, в то время как такие клиенты, как Apple, NVIDIA, AMD, Fujitsu и Broadcom, будут выжимать максимум производительности из каждой новой версии; в конечном итоге, для пользователя все это приведет к созданию устройств, которые будут работать лучше, потреблять меньше энергии и откроют двери для вычислительных возможностей, которые еще совсем недавно казались научной фантастикой.
