L Chipy 2 nm stały się nowym dużym celem z branży półprzewodników. Nie mówimy już o odległej koncepcji, ale o technologii, która zaczyna wchodzić do rzeczywistej produkcji i która wyznaczy kierunek dla kolejnych generacji procesorów, układów GPU i układów SoC dla konsumentów, centrów danych i sztucznej inteligencji.
W tym samym czasie Przejście na 2 nm okazuje się czymś wszystkim, tylko nie prostym.Rosnące koszty, wąskie gardła w zaawansowanych technologiach pakowania, wątpliwości co do wydajności na wafel i zacięta konkurencja między TSMC, Intelem i Samsungiem, podczas gdy tacy gracze jak Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm, Fujitsu i Broadcom starają się wykorzystać tę nową litografię na swój własny sposób.
Co tak naprawdę oznacza dzisiaj chip 2 nm?
Pierwszą rzeczą, którą należy wyjaśnić, jest to, że w tym momencie, Liczba „2 nm” jest raczej etykietą marketingową niż dokładną miarą fizyczną.Nie opisuje już dokładnie długości bramki tranzystorów, odległości między nimi ani innych konkretnych parametrów geometrycznych. Każda odlewnia (TSMC, Intel, Samsung itd.) definiuje swoje węzły według własnego uznania, łącząc różne metryki wewnętrzne, co znacznie utrudnia bezpośrednie porównywanie procesów.
Mimo to termin ten jest nadal używany, ponieważ oznacza kategoria integracji niezwykle zaawansowanejWiąże się to z wyższą gęstością tranzystorów, lepszą wydajnością i niższym zużyciem energii na operację w porównaniu z poprzednimi węzłami, takimi jak 5 nm, 4 nm czy 3 nm. Innymi słowy, chociaż „nanometry” nie są już dosłowne, nadal wskazują, gdzie znajduje się każdy węzeł na drabinie technologicznej.
W praktyce przejście z procesów takich jak 3 nm lub 4 nm do 2 nm wiąże się uzyskać szybsze lub bardziej wydajne układy scalone lub lepszą równowagę między nimiOznacza to większą liczbę rdzeni, większą pamięć podręczną, więcej jednostek AI i wyższe częstotliwości przy takim samym rozmiarze układu lub utrzymanie podobnej wydajności przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu zużycia energii.
Dlatego litografia 2 nm nie jest tylko kwestią marketingu: Stanowi podstawę kolejnej fali produktów o wysokiej wydajnościOd procesorów do komputerów stacjonarnych i laptopów po akceleratory AI i superkomputery, w tym zaawansowane mobilne układy SoC.
Od FinFET do GAAFET/Nanosheet: zmiana generacji tranzystorów
Jednym z głównych skoków związanych z technologią 2 nm jest nie tylko „nominalny” rozmiar węzła, ale także rodzaj tranzystora. Branża odchodzi od tradycyjnych FinFET-ów, które były podstawą dla technologii 22 nm/16 nm, aby przejść na architekturę typu GAAFET (Gate-All-Around), znaną również jako nanosheet lub nanolaminate.
W tranzystorach FinFET bramka częściowo otacza kanał tranzystora, natomiast w tranzystorach GAAFET Brama całkowicie otacza kanałoferując znacznie precyzyjniejszą kontrolę przepływu prądu. Pozwala to na zmniejszenie upływu prądu, lepsze odprowadzanie ciepła oraz ciągłe skalowanie napięcia i częstotliwości, nawet przy drastycznym wzroście gęstości tranzystorów.
Na przykład TSMC nadało swojemu podejściu nazwę N2 Nanosheet z technologią NanoflexStrategia ta umożliwia łączenie nanopłytek o różnej wysokości i gęstości komórek logicznych na bardzo małym obszarze, dostosowując projekt do konkretnej części układu scalonego: niektóre obszary są zoptymalizowane pod kątem maksymalnej wydajności, a inne zaprojektowane pod kątem energooszczędności.
Samsung od jakiegoś czasu bada warianty GAAFET i Rozważał nawet alternatywne materiały, takie jak molibden. Aby poprawić ruchliwość elektronów i lepiej rozwiązać problemy termiczne wynikające z dalszej miniaturyzacji. Intel ze swojej strony mówi o swoich tranzystorach GAA opartych na nanopłytkach w węzły takie jak 20A i 18Agdzie architektura ta jest również połączona z systemami zasilania umieszczonymi z tyłu układu.
Jakie ulepszenia obiecują węzły 2 nm?
Producenci zazwyczaj podają wartości, porównując węzeł z jego bezpośrednim poprzednikiem. W przypadku 2 nm, Omawiane kwoty są bardzo lukratywne.Zawsze jednak zależą one od konkretnej konstrukcji układu scalonego i rodzaju obciążenia:
Według Abhijeeta Chakraborty’ego, architekta oprogramowania w firmie Synopsys, klient, który zdecyduje się na migrację z technologii 3 nm do 2 nm, może spodziewać się w przybliżeniu następujących efektów:
- Od 10% do 15% większa wydajność z tą samą mocą.
- Od 20% do 30% mniejsze zużycie energii z równą wydajnością.
- Około 15% większa gęstość tranzystorów w tym samym obszarze.
TSMC podaje podobne dane dla swojego węzła N2 w porównaniu do węzła N3E: do 15% większa wydajność lub 30% mniejsze zużycieDzięki zastosowaniu tranzystorów Nanoflex z nanopłytkami gęstość tranzystorów wzrosła 1,15-krotnie. To właśnie takie połączenie wydajności i efektywności skłania takich gigantów jak Apple i NVIDIA do rezerwowania mocy obliczeniowej tego węzła z tak dużym wyprzedzeniem.
W imieniu firmy Intel, Ben Sell, wiceprezes ds. rozwoju technologii, podkreślił, że w węzłach o równoważnych parametrach 2 nm, takich jak 18A, Priorytetem nie jest samo osiągnięcie wyższych częstotliwościale raczej poprawić wydajność w przeliczeniu na wat i zmniejszyć powierzchnię potrzebną do uzyskania danego poziomu mocy obliczeniowej. Z perspektywy rynku przekłada się to na większą moc w tej samej obudowie lub znacznie wyższą wydajność przy zachowaniu wydajności.
W każdym razie w praktyce zauważalny jest skok 2-3 „nanometrów marketingu”: Różnica między 5 nm a 3 nm jest znacząca Dla producentów takich jak AMD, NVIDIA, Qualcomm czy Apple przejście na proces 2 nm przebiega podobnie, choć wiąże się ze znacznie wyższymi kosztami produkcji i większymi wyzwaniami technicznymi.
TSMC: lider wyznaczający tempo dla 2 nm
TSMC jest od lat główny „producent cieni” połowy sektora technologicznegoIch fabryki produkują układy scalone do telefonów komórkowych, kart graficznych, procesorów do komputerów stacjonarnych i laptopów, procesorów do serwerów, konsol i wielu innych. Ich udział w rynku zaawansowanych technologii odlewniczych wynosi około 60%, co zapewnia im wyraźną i dominującą pozycję.
Firma już rozpoczęła produkcja płytek w węźle N2 Oparta na technologii nanosheet, słynnym węźle „2 nm”, technologia ta stanowi generacyjną zmianę w stosunku do N3E, nie tylko ze względu na samą litografię, ale także ze względu na przejście z FinFET na tranzystory GAA z technologią Nanoflex. Jednym z pierwszych dużych klientów, którzy skorzystają z tej technologii, będzie AMD, które podobno zakończyło wdrażanie przyszłych matryc CCD w architekturze Zen 6 na węźle N2, a ich premiera planowana jest na około 2026 rok.
Aby towarzyszyć N2, firma TSMC zaprojektowała kompletna rodzina procesów pochodnych:
- N2P, ukierunkowany na większą efektywność energetyczną.
- N2X, skupiony na ekstremalna wydajność do zastosowań o wysokim TDP.
- A16 SPR, jeszcze bardziej zaawansowany węzeł z tylnym zasilaniem (Super Power Rail).
W przypadku A16 SPR wstępne dane sugerują nawet do 8-10% szybszy niż N2P przy tym samym napięciu, czyli 15-20% redukcji zużycia energii przy zachowaniu wydajności. Wybiegając w przyszłość, TSMC przedstawiło również plan działania na rzecz A14, który zakłada nawet 1,8-krotnie wyższą wydajność przy tej samej mocy wyjściowej i nawet 4,2-krotnie lepszą efektywność energetyczną w określonych scenariuszach.
Aby utrzymać tę ofensywę, TSMC przeznaczyło co najmniej dwie kluczowe fabryki (Fab 20 i Fab 22) do produkcji 2 nmNie chodzi tylko o unowocześnianie maszyn: konieczne jest zainwestowanie miliardów dolarów w jeszcze bardziej zaawansowany sprzęt EUV, systemy metrologiczne, nowe linie pakowania i testowania oraz całą infrastrukturę związaną z tak złożonym węzłem.
Wąskie gardło zaawansowanego pakowania: CoWoS-L i firma
Drugą stroną medalu jest to, że klienci TSMC nie chcą już tylko „wafla 2 nm” i niczego więcej. Największy popyt dotyczy skomplikowanych układów scalonych w zaawansowanej obudowie., takie jak CoWoS-L, umożliwiające integrację kilku układów scalonych na interposerze o bardzo dużej gęstości, a w wielu przypadkach z pamięcią piętrową.
CoWoS-L umożliwia umieszczenie wielu układów (CPU, GPU, chipletów pamięci podręcznej, HBM itp.) na przekładce krzemowej lub podobnym materiale z niezwykle gęste połączenia o dużej przepustowościProblem polega na tym, że tego typu opakowania wiążą się z dodatkowymi problemami, takimi jak rozszerzalność cieplna: różne materiały nierównomiernie rozszerzają się pod wpływem temperatury, co może powodować odkształcenia, naprężenia mechaniczne, mikropęknięcia lub uszkodzenia połączeń.
Szacuje się, że Według doniesień firma NVIDIA zarezerwowała około 70% mocy produkcyjnych CoWoS-L firmy TSMCDoprowadziło to do znacznego niedoboru tych zaawansowanych pakietów dla innych klientów. Produkty takie jak procesory graficzne NVIDIA AI, procesory AMD EPYC z pamięcią podręczną 3D V-Cache oraz przyszłe procesory Xeon z dużymi blokami pamięci podręcznej opierają się właśnie na tym typie integracji, aby osiągnąć swoje parametry wydajnościowe.
To wąskie gardło już ma widoczne konsekwencje: TSMC zostało zmuszone do opóźnienia dostaw związanych z architekturą Blackwell firmy NVIDIApowołując się na problemy z wydajnością w CoWoS-L i ograniczenia pojemności. Jednocześnie firma przygotowuje proces A16 (około 1,6 nm) z Super Power Rail, dla którego NVIDIA jest już wymieniona jako klient priorytetowy.
Podsumowując, chociaż litografia 2 nm przyciąga wzrok, Duża część wartości (i problemów) wynika z opakowania 2.5D i 3DProjekty bazujące na chipletach, pamięci podręcznej w stosie i pamięci bliskiej obliczeniowej to rozwiązania, które w pełni wykorzystują zalety tych węzłów. To właśnie w tym obszarze TSMC musi bardzo szybko skalować swoją pojemność.
Intel i Samsung: pozostali kandydaci do zdominowania rynku 2 nm
W miarę jak TSMC umacnia swoją pozycję lidera, Intel i Samsung widzą w 2 nm strategiczną szansę odzyskać przewagę i przekonać zewnętrznych klientów, że ich technologia jest konkurencyjna, nie tylko w przypadku ich własnych produktów.
Samsung przechodzi trudny okres: Przychody firmy z tytułu półprzewodników spadły w 2023 r. o około 37,5% Według Gartnera firma została zmuszona do dostosowania planów ekspansji i zatrudnienia w porównaniu z rokiem 2022. Mimo to, firma podtrzymuje swój cel, jakim jest wyprzedzenie TSMC i innych rywali, takich jak Intel, w ciągu pięciu lat, jak stwierdził były dyrektor generalny działu półprzewodników, Kye Hyun Kyung.
Strategia Samsunga obejmuje uruchomić swoje węzły GAAFET i przygotować się do masowej produkcji w technologii 2 nm Samsung uruchomi swoją strategię produkcyjną, gdy popyt rynkowy będzie na to pozwalał, zarówno w przypadku mobilnych układów SoC, jak i wysokowydajnych rozwiązań dla centrów danych. Firma pracuje nad zaawansowanymi technologiami pakowania i alternatywnymi materiałami, aby złagodzić problemy termiczne związane z ekstremalną skalowalnością. Więcej informacji na temat strategii produkcyjnej Samsunga można znaleźć w [link do strony internetowej/zasobu Samsunga]. ich plan produkcji rdzeni Exynos.
W przypadku Intela podejście jest nieco inne. Pat Gelsinger, były dyrektor generalny, obiecał odzyskać pozycję lidera w procesach produkcyjnych z agresywnym planem działania, który obejmuje szybkie wprowadzanie na rynek węzłów takich jak Intel 4, Intel 3, 20A i 18A. Dave Zinsser, dyrektor finansowy firmy, ujawnił, że Intel zdecydował się pominąć marketing 20A aby zaoszczędzić około 500 milionów dolarów, poprzez przekierowanie części tych zasobów do 18A.
Ben Sell potwierdził, że 18A osiągnął dojrzałość umożliwiającą rozpoczęcie produkcji na dużą skalę w 2025 r.Z marketingowego punktu widzenia ten węzeł mieści się w zakresie 2 nm (około 1,8 nm) i łączy tranzystory nanoleaf GAA z układami zasilania typu back-of-chip, co bardzo odpowiada temu, co TSMC proponuje w przypadku A16 SPR.
Dla firmy Intel największym wyzwaniem nie jest samo wprowadzenie na rynek własnych procesorów opartych na architekturze 18A, takich jak Panther Lake czy przyszłe rodziny, ale zyskać zaufanie firm zewnętrznych w dziale odlewniczym i produkować tam swoje wartościowe projekty. Kluczem będzie wykazanie konkurencyjnej wydajności płytek, stabilności produkcji i niezawodności terminów dostaw w porównaniu z TSMC.
Fujitsu, Broadcom i kamień milowy 2 nm w superkomputerach
Podczas gdy giganci konsumencki udoskonalają swoje sieci, Fujitsu i Broadcom wydały oświadczenie w dziedzinie obliczeń o wysokiej wydajności (HPC) i zaawansowanej sztucznej inteligencji (AI)We współpracy z TSMC rozpoczęto produkcję 2-nm układu SoC znanego jako FUJITSU-MONAKA, przeznaczonego dla kolejnego najważniejszego japońskiego superkomputera, FugakuNEXT, którego liderami są RIKEN.
Ten układ został zaprojektowany specjalnie z myślą o ogromnych obciążeniach obliczeniowych i sztucznej inteligencji. Posiada 144 rdzenie i obudowę 3,5D (XDSiP).Oznacza to jeszcze bardziej zaawansowany poziom integracji niż typowy 2.5D. Celem jest połączenie ogromnej mocy obliczeniowej z niskim zużyciem energii, co jest absolutnym priorytetem w maszynach tego kalibru.
Aby wyżywić takiego potwora, FUJITSU-MONAKA integruje podsystem pamięci z dwunastoma kanałami DDR5Oprócz obsługi PCIe 6.0 i CXL 3.0, taka kombinacja sprawia, że jest to idealny kandydat do gigantycznych obciążeń związanych ze sztuczną inteligencją i niezwykle wymagających symulacji naukowych, w których opóźnienia i przepustowość pamięci są tak samo istotne jak moc obliczeniowa.
Choć nie jest to pierwszy ogłoszony układ scalony 2 nm, Wyróżnia się tym, że jest jedną z pierwszych firm w tym węźle, która faktycznie rozpoczęła produkcję i ma konkretnego klienta.Zamiast pozostać na etapie prezentacji PowerPoint i komunikatu prasowego, oczekuje się, że wprowadzenie rozwiązań do eksploatacji w centrach danych i superkomputerach nastąpi do 2027 r., co wzmocni pozycję Fujitsu w segmencie HPC w stosunku do takich konkurentów, jak AMD (Instinct), NVIDIA (Grace, Grace Hopper) i Intel (Xeon, Gaudi).
Ten krok pokazuje, że technologia 2 nm nie jest przeznaczona wyłącznie do telefonów komórkowych i komputerów PC najwyższej klasy: Superkomputery i elitarna sztuczna inteligencja to jedne z pierwszych dziedzin, w których układy scalone z tego węzła będą mogły pracować z pełną wydajnością.ponieważ tam płacisz najwięcej za każdy zaoszczędzony wat i każdy dodatkowy punkt procentowy wydajności.
Wpływ 2 nm na komputery PC, urządzenia mobilne i sprzęt domowy
Jeśli przyjrzymy się przeciętnemu użytkownikowi, większość dzisiejszych komputerów stacjonarnych i laptopów do użytku domowego nadal działa na węzłach takich jak 5 nm i 7 nm w przypadku AMD Ryzenoraz równoważne lub nieco starsze procesy w niektórych liniach produktów Intela. W urządzeniach mobilnych, najwyższy zakres to już około 3 i 4 nm, czego przykładem są układy Apple czy niektóre SoC firm Qualcomm i MediaTek.
W tym kontekście W najbliższym czasie nie zobaczymy masowo „kompletnych” procesorów do komputerów stacjonarnych produkowanych w całości w procesie technologicznym 2 nm.Koszt pojedynczego wafla wzrasta o około 50% lub więcej przy przejściu z 5 nm do 3 nm, a następnie do 2 nm, a rentowność jest uzasadniona wyłącznie w segmentach, w których marża na chip jest bardzo wysoka, takich jak procesory graficzne AI, procesory serwerowe lub układy SoC najwyższej klasy.
W środowisku krajowym natychmiastowym trendem jest wybierz heterogeniczne projekty z kilkoma węzłami produkcyjnymi w tym samym produkcieIntel już teraz wykorzystuje różne litografie w jednym pakiecie, aby połączyć rdzenie o wysokiej wydajności, rdzenie energooszczędne, zintegrowaną grafikę i kontrolery wejścia/wyjścia w sposób zrównoważony pod względem kosztów. AMD stosuje podobne podejście: zaawansowaną litografię dla chipletów rdzeniowych (CCD) i bardziej dopracowaną dla matrycy wejścia/wyjścia.
Oznacza to, że w średnim okresie najprawdopodobniej zobaczymy produkty hybrydowe, w których niektóre części układu (takie jak główny blok obliczeniowy, NPU lub niektóre chiplety pamięci podręcznej) są rzeczywiście wytwarzane w technologii 2 nmPodczas gdy inni pozostaną przy tańszych węzłach, takich jak 3 nm, 4 nm, a nawet 6 nm. Celem jest zrównoważenie kosztów, wydajności i zużycia energii bez znaczącego wzrostu ceny końcowej dla konsumenta.
Rozwój sztucznej inteligencji we wszystkich segmentach wywarł dodatkową presję: teraz Prawie każdy nowoczesny układ SoC lub procesor wymaga integracji dedykowanego układu NPU lub akceleratora. do wydajnego uruchamiania modeli AI. Zwiększa to złożoność projektu i wymaga bardziej wyspecjalizowanej logiki na chipie, a w tym przypadku proces technologiczny 2 nm jest bardzo atrakcyjny, ale jednocześnie bardzo kosztowny.
Koszty, wydajność na płytkę i dlaczego jeszcze nie wszyscy zdecydują się na zmianę
Zaawansowana litografia zawsze była droga, ale z 3 nm i 2 nm Wysokość rachunku wzrosła do poziomu, który zmusza do zastanowienia się dwa razy.Szacuje się, że pojedynczy wafel 2 nm może kosztować od 25 000 do 30 000 dolarów, w zależności od marży TSMC i przede wszystkim osiągniętej wydajności.
Na początku życia węzła, wydajność na płytkę jest zazwyczaj wyraźnie lepszaCoraz więcej jest wadliwych chipów, coraz więcej bezużytecznych płytek i coraz więcej wymaganych modyfikacji procesów. Główni producenci dążą do osiągnięcia co najmniej 70% wydajności w swoich węzłach 2 nm, aby były one naprawdę rentowne i atrakcyjne dla klientów. Dopóki ten próg nie zostanie osiągnięty, ceny i ograniczenia wydajności są bardzo wysokie.
Wyjaśnia to, dlaczego wiele projektów nadal opiera się na węzłach takich jak 3 nm, 4 nm lub 5 nm, gdzie Równowaga między wydajnością, zużyciem paliwa i kosztami jest już doskonała.Uzasadnienie przejścia na proces technologiczny 2 nm w przypadku produktu o średniej lub małej liczbie wyprodukowanych sztuk, np. procesora średniej klasy lub układu SoC dla urządzeń średniej klasy, jest skomplikowane, biorąc pod uwagę fakt, że koszt wafla wzrasta niemal dwukrotnie.
Oprócz tego wszystkiego, od 14 nm do 5 nm, przemysł doświadczył etap bardzo szybkiego i stosunkowo „czystego” postępuDotyczy to w szczególności firmy TSMC, która z powodzeniem przeszła na procesy 7 nm i 5 nm. Tempo zmian, w połączeniu z boomem na centra danych AI i eksplozją elektroniki użytkowej, doprowadziło do wyczerpania mocy produkcyjnych i niezbędnych inwestycji w nowe fabryki.
Z kolei przejście Intela z procesu 10 nm na równoważne 7 nm przebiegało znacznie trudniej, a opóźnienia i problemy z wydajnością kosztowały firmę utratę udziału w rynku. Ten kontrast jasno pokazał, że Każdy nowy, zaawansowany węzeł jest trudniejszy i droższy od poprzedniego.Samo zmniejszenie tranzystorów nie wystarczy: architekturę, obudowę i systemy zasilania trzeba zaprojektować niemal od nowa.
Czego użytkownik końcowy może oczekiwać od układów scalonych 2 nm?
Patrząc na to z perspektywy codziennego użytkowania, Chipy 2 nm nie będą reprezentować „magicznego” skoku, takiego jak ten, który widzieliśmy ponad dekadę temuGdy nowe pokolenie zmniejszy konsumpcję o połowę, era wielkich cudów miniaturyzacji dobiegnie końca; teraz mówimy o bardziej stopniowych, ale pieczołowicie dopracowanych ulepszeniach.
W nadchodzących latach wpływ 2 nm będzie odczuwalny przede wszystkim w segmenty high-end i profesjonalneSerwery, stacje robocze, akceleratory AI, procesory graficzne ogólnego przeznaczenia, a później smartfony i laptopy klasy premium. To właśnie tam każda niewielka poprawa wydajności w przeliczeniu na wat przekłada się na wielomilionowe kontrakty i realną przewagę konkurencyjną.
Dla użytkownika oznacza to zespoły zdolne do lokalnego uruchamiania większych modeli AIBardziej złożone gry z lepszą liczbą klatek na sekundę i niższym zużyciem energii, krótszym czasem renderowania i kompilacji, a także urządzenia mobilne, które utrzymują wysoką wydajność przez dłuższy czas bez przegrzewania się.
W średnim terminie najciekawszą rzeczą będzie połączenie tych węzłów z opakowaniami 3D i projektami opartymi na chipletachWięcej ułożonych warstwowo układów scalonych, pamięć znacznie bliżej jednostek obliczeniowych, bardzo duża przepustowość wewnętrznych połączeń i rosnąca specjalizacja każdego chipletu zgodnie z jego funkcją (CPU, GPU, NPU, pamięć podręczna, wejście/wyjście…).
Wszystkie te techniki tworzą komunikat, który dociera do konsumenta („nowy chip, szybszy i wydajniejszy”) To może być prawdą, ale kryje się za tym coraz bardziej skomplikowana inżynieria.2 nm to tylko jeden element o wiele większej układanki, w której każdy szczegół ma znaczenie, aby maksymalnie wykorzystać każdy wat dostępnej energii.
Produkcja masowa już tuż za rogiem, a pierwsze prawdziwe projekty są już w toku, Chipy 2 nm mają stać się sercem procesorów i akceleratorów nowej generacjiNie zobaczymy nagłych zmian z roku na rok, ale raczej stały postęp, w którym TSMC, Intel i Samsung będą rywalizować o pozycję lidera technologicznego, podczas gdy klienci tacy jak Apple, NVIDIA, AMD, Fujitsu i Broadcom będą wyciskać ostatnią kroplę wydajności z każdej nowej iteracji. Ostatecznie dla użytkownika wszystko to przełoży się na urządzenia, które będą działać lepiej, zużywać mniej energii i otworzą drzwi do doświadczeń komputerowych, które jeszcze niedawno wydawały się czymś w rodzaju science fiction.
