L 2-нм чіпи стали новою великою ціллю з напівпровідникової промисловості. Йдеться вже не про віддалену концепцію, а про технологію, яка починає впроваджуватися в реальне виробництво та яка визначить курс для наступних поколінь центральних і графічних процесорів та однокристальних систем для споживачів, центрів обробки даних та штучного інтелекту.
Водночас Перехід до 2 нм виявляється аж ніяк не простим.Зростання витрат, проблеми з передовою упаковкою, сумніви щодо виходу продукції на пластину та жорстка конкуренція між TSMC, Intel та Samsung, тоді як такі гравці, як Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm, Fujitsu або Broadcom, позиціонують себе так, щоб скористатися перевагами цієї нової літографії по-своєму.
Що насправді означає 2-нм чіп сьогодні?
Перше, що потрібно уточнити, це те, що на даний момент, Цифра «2 нм» — це радше маркетингове позначка, ніж точний фізичний вимір.Він більше не точно описує довжину затвора транзисторів, відстань між ними чи інші конкретні геометричні параметри. Кожне виробника (TSMC, Intel, Samsung тощо) визначає свої вузли на свій розсуд, поєднуючи різні внутрішні метрики, що значно ускладнює пряме порівняння між процесами.
Навіть попри це, цей термін продовжує використовуватися, оскільки він позначає категорія надзвичайно просунутої інтеграціїЦе пов'язано з вищою щільністю транзисторів, кращою продуктивністю та меншим споживанням енергії на операцію порівняно з попередніми вузлами, такими як 5 нм, 4 нм або 3 нм. Іншими словами, хоча «нанометри» вже не є буквальними, вони служать для позначення того, де кожен вузол знаходиться на технологічній драбині.
На практиці перехід від процесів, таких як 3 нм або 4 нм, до 2 нм передбачає отримати швидші або ефективніші чіпи, або кращий баланс між нимиЦе означає збільшення кількості ядер, збільшення кешу, збільшення кількості блоків штучного інтелекту та вищі частоти при тому ж розмірі чіпа або збереження аналогічної продуктивності при значному зниженні енергоспоживання.
Отже, 2-нм літографія — це не просто питання маркетингу: Це основа для наступної хвилі високопродуктивних продуктівВід процесорів для настільних комп'ютерів та ноутбуків до прискорювачів штучного інтелекту та суперкомп'ютерів, включаючи високопродуктивні мобільні однокристальні системи.
Від FinFET до GAAFET/Nanosheet: зміна поколінь у транзисторах
Одним з головних стрибків, пов'язаних з 2 нм, є не лише «номінальний» розмір вузла, але й тип транзистора. Галузь відходить від традиційних FinFET, які були основою від 22 нм/16 нм, перейти до архітектур типу GAAFET (Gate-All-Around), також відомих як нанолисти або наноламінати.
У FinFET затвор частково оточує канал транзистора, тоді як у GAAFET... Брама повністю оточує каналпропонуючи набагато точніший контроль потоку струму. Це дозволяє зменшити витік, краще розсіювати тепло та продовжувати масштабування напруги та частоти навіть за значного збільшення щільності транзисторів.
Наприклад, TSMC назвала свій підхід як N2 Nanosheet з технологією NanoflexЦя стратегія дозволяє поєднувати різну висоту нанолистів та щільність логічних комірок на дуже малій площі, коригуючи дизайн відповідно до частини чіпа: деякі області оптимізовані для максимальної продуктивності, а інші розроблені для енергоефективності.
Samsung вже деякий час досліджує варіанти GAAFET, і Він навіть розглядав альтернативні матеріали, такі як молібден. для покращення рухливості електронів та кращого вирішення теплових проблем, що виникають із подальшою мініатюризацією. Intel, зі свого боку, розповідає про свої GAA-транзистори на основі нанолистів у вузли, такі як 20A та 18Aде ця архітектура також поєднується з системами живлення на задній панелі чіпа.
Які покращення обіцяють 2-нм вузли?
Виробники зазвичай надають цифри, порівнюючи вузол з його безпосереднім попередником. У випадку 2 нм, Обговорювані цифри є дуже вигідними.Однак вони завжди залежать від конкретної конструкції мікросхеми та типу робочого навантаження:
За словами Абхіджіта Чакраборті, архітектора програмного забезпечення в Synopsys, клієнт, який переходить з 3 нм на 2 нм, може очікувати приблизно:
- Від 10% до 15% вища продуктивність з тією ж потужністю.
- Споживання енергії на 20–30% менше з однаковою продуктивністю.
- Приблизно на 15% більша щільність транзисторів у тій самій місцевості.
TSMC надає аналогічні показники для свого вузла N2 порівняно з N3E: до 15% більше продуктивності або на 30% менше споживання паливаЗавдяки нанолистовим транзисторам Nanoflex, щільність транзисторів помножена на 1,15, саме це поєднання продуктивності та ефективності спонукає таких гігантів, як Apple та NVIDIA, резервувати потужність на цьому вузлі так далеко вперед.
Від імені Intel Бен Селл, віцепрезидент з розвитку технологій, наголосив, що в еквівалентних 2-нм вузлах, таких як 18A, Пріоритет полягає не лише в досягненні вищих частота радше для покращення продуктивності на ват та зменшення площі, необхідної для заданого рівня обчислювальної потужності. З точки зору ринку, це означає більшу потужність в тому ж корпусі або набагато більшу ефективність при збереженні продуктивності.
У будь-якому разі, стрибок у 2-3 «нанометри маркетингу» помітний на практиці: Різниця між 5 нм та 3 нм була значною Для таких виробників, як AMD, NVIDIA, Qualcomm або Apple, перехід на 2 нм відбувається тим самим шляхом, хоча й зі значно вищими виробничими витратами та зростанням технічних труднощів.
TSMC: лідер, що задає темп 2-нм техпроцесу
TSMC була протягом багатьох років великий «тіньовий виробник» половини технологічного секторуЇхні заводи виробляють чіпи для мобільних телефонів, відеокарти, процесори для настільних та ноутбуків, процесори для серверів, консолей та багато іншого. Їхня частка ринку в передовому ливарному виробництві становить близько 60%, що забезпечує їм чітке та домінуюче становище.
Компанія вже розпочала виробництво пластин на вузлі N2 Заснована на технології нанолистів, відомому вузлі «2 нм», ця технологія являє собою зміну покоління від N3E не лише завдяки самій літографії, але й через перехід від транзисторів FinFET до транзисторів GAA з технологією Nanoflex. Одним з перших великих клієнтів, які скористаються перевагами цієї технології, буде AMD, яка, як повідомляється, завершила встановлення стрічки для своїх майбутніх ПЗС-матриць на архітектурі Zen 6 на вузлі N2, з прогнозованим запуском приблизно у 2026 році.
Для супроводу N2 компанія TSMC розробила повне сімейство похідних процесів:
- N2P, спрямований на підвищення енергоефективності.
- N2X, зосереджений на екстремальна продуктивність для застосувань з високим TDP.
- A16 SPR, ще більш досконалий вузол із заднім блоком живлення (Super Power Rail).
У випадку A16 SPR, попередні дані свідчать про те, що до На 8-10% швидше, ніж N2P при тій самій напрузі, або зниження споживання на 15-20% зі збереженням продуктивності. Забігаючи вперед, TSMC також окреслила свою дорожню карту щодо A14, пропонуючи до 1,8 раза вищу продуктивність при тій самій вихідній потужності та до 4,2 раза кращу енергоефективність у певних сценаріях.
Для підтримки цього наступу TSMC виділила щонайменше два ключові заводи (Fab 20 та Fab 22) для виробництва за 2 нмЙдеться не лише про модернізацію машин: мільярди доларів потрібно інвестувати в ще сучасніше обладнання EUV, метрологічні системи, нові пакувальні та випробувальні лінії, а також всю інфраструктуру, пов'язану з таким складним вузлом.
Вузьке місце передової упаковки: CoWoS-L та компанія
З іншого боку, клієнти TSMC більше не хочуть лише «2-нм пластину» і нічого більше. Попит зосереджений на складних чіпах з удосконаленим корпусуванням., такі як CoWoS-L, здатні інтегрувати кілька кристалів на інтерпозері надвисокої щільності та, в багатьох випадках, зі стекованою пам'яттю.
CoWoS-L дозволяє розміщувати кілька мікросхем (процесор, графічний процесор, чіплети кешу, HBM тощо) на кремнієвому інтерпозері або подібному матеріалі з надзвичайно щільні, високошвидкісні взаємозв'язкиПроблема полягає в тому, що цей тип упаковки створює додаткові труднощі, такі як теплове розширення: різні матеріали нерівномірно розширюються з температурою, що може спричинити деформації, механічні напруження, мікротріщини або порушення з'єднань.
Передбачається, що Повідомляється, що NVIDIA зарезервувала близько 70% виробничих потужностей TSMC CoWoS-L.Це призвело до значної нестачі цих розширених пакетів для інших клієнтів. Такі продукти, як графічні процесори NVIDIA зі штучним інтелектом, процесори AMD EPYC з 3D V-Cache та майбутні процесори Xeon з великими блоками кешу, покладаються саме на цей тип інтеграції для досягнення своїх показників продуктивності.
Це вузьке місце вже мало видимі наслідки: TSMC була змушена відкласти поставки, пов'язані з архітектурою Blackwell від NVIDIA.посилаючись на проблеми з продуктивністю CoWoS-L та обмеження потужності. Водночас компанія готує свій процес A16 (близько 1,6 нм) з використанням Super Power Rail, для якого NVIDIA вже вказана як пріоритетний клієнт.
Підсумовуючи, хоча 2-нм літографія є привабливим заголовком, Значна частина цінності (і проблем) походить від 2.5D та 3D упаковки.Конструкції на основі чіплетів, стекованого кешу та пам'яті майже обчислювального рівня – це те, що дійсно максимізує переваги цих вузлів, і саме тут TSMC також потрібно дуже швидко масштабувати свої потужності.
Intel та Samsung: інші претенденти на домінування на ринку 2-нм
Оскільки TSMC зміцнює своє лідерство, Intel та Samsung розглядають 2-нм техпроцес як стратегічну можливість повернути собі позиції та переконати зовнішніх клієнтів, що їхня технологія є конкурентоспроможною не лише для їхніх власних продуктів.
Samsung переживає складний час: Його дохід від напівпровідників упав приблизно на 37,5% у 2023 році. За даними Gartner, компанія була змушена скоригувати свої плани розширення та штат працівників порівняно з 2022 роком. Незважаючи на це, вона зберігає свою мету обігнати TSMC та інших конкурентів, таких як Intel, протягом п'яти років, як заявив її колишній генеральний менеджер підрозділу напівпровідників Ке Хьон Кьонг.
Стратегія Samsung передбачає запустити свої вузли GAAFET та бути готовим до масового виробництва за 2-нм технологією Samsung запустить свою виробничу стратегію, коли цього вимагатиме ринковий попит, як для мобільних однокристальних систем, так і для високопродуктивних рішень для центрів обробки даних. Компанія працює над передовими технологіями упаковки та альтернативними матеріалами для зменшення теплових проблем, пов'язаних з екстремальним масштабуванням. Більш детальну інформацію про виробничу стратегію Samsung можна знайти за посиланням [посилання на веб-сайт/ресурс Samsung]. їхній план виробництва ядер Exynos.
У випадку з Intel підхід дещо інший. Пет Гелсінгер, її колишній генеральний директор, обіцяв повернути собі лідерство у виробничих процесах з агресивним планом розвитку, який включає такі вузли, як Intel 4, Intel 3, 20A та 18A, у швидкій послідовності. Дейв Зінсер, головний фінансовий директор компанії, повідомив, що Intel вирішив відмовитися від маркетингу 20A заощадити близько 500 мільйонів доларів, перерозподіливши частину цих ресурсів до 18A.
Бен Селл підтвердив це 18A досяг необхідної зрілості для початку великомасштабного виробництва у 2025 роціЗ точки зору маркетингу, цей вузол виготовлений за 2-нм техпроцесом (приблизно 1,8 нм) і поєднує нанолистові GAA-транзистори з системами живлення на задній панелі кристала, що дуже відповідає тому, що TSMC пропонує з A16 SPR.
Для Intel великим викликом є не просто випуск власних процесорів на базі 18A, таких як Panther Lake або майбутні сімейства, але й завоювати довіру сторонніх компаній до свого ливарного підрозділу та виробляти там свої високоякісні розробки. Ключовим фактором буде демонстрація конкурентоспроможного виходу пластин, стабільності виробництва та надійних термінів доставки порівняно з TSMC.
Fujitsu, Broadcom та 2-нм віха в суперкомп'ютерах
Поки споживчі гіганти вдосконалюють свої мережі, Fujitsu та Broadcom зробили заяву в галузі високопродуктивних обчислень (HPC) та високорівневого штучного інтелекту.У співпраці з TSMC вони розпочали виробництво 2-нм однокристальної системи (SoC) під назвою FUJITSU-MONAKA, призначеної для наступного великого японського суперкомп'ютера FugakuNEXT на чолі з RIKEN.
Цей чіп був розроблений спеціально з урахуванням величезних робочих навантажень суперкомп'ютерів та штучного інтелекту. Він має 144 ядра та корпус 3,5D (XDSiP).Це передбачає ще більш просунутий рівень інтеграції, ніж типовий 2.5D. Мета полягає в поєднанні величезної обчислювальної продуктивності з низьким споживанням енергії, що є абсолютним пріоритетом для машин такого калібру.
Щоб прогодувати такого монстра, FUJITSU-MONAKA інтегрує підсистема пам'яті з дванадцятьма каналами DDR5Окрім підтримки PCIe 6.0 та CXL 3.0, таке поєднання робить його ідеальним кандидатом для гігантських робочих навантажень штучного інтелекту та надзвичайно вимогливих наукових симуляцій, де затримка та пропускна здатність пам'яті є такими ж критичними, як і чиста обчислювальна потужність.
Хоча це не перший анонсований 2-нм чіп, Він справді виділяється тим, що є одним з перших у цьому вузлі, хто фактично розпочав виробництво та працює з конкретним клієнтом.Замість того, щоб залишатися на етапі презентацій PowerPoint та прес-релізів, його введення в експлуатацію в центрах обробки даних та суперкомп'ютерах очікується до 2027 року, що зміцнить позиції Fujitsu в сегменті високопродуктивних обчислень (HPC) порівняно з такими конкурентами, як AMD (Instinct), NVIDIA (Grace, Grace Hopper) та Intel (Xeon, Gaudi).
Цей крок демонструє, що 2 нм — це не лише питання високоякісних мобільних телефонів чи ПК: Суперкомп'ютери та елітний штучний інтелект – одні з перших галузей, де чіпи цього вузла працюватимуть на повну потужність.тому що саме там ви платите найбільше за кожен зекономлений ват і кожен додатковий відсоток продуктивності.
Вплив 2-нм на ПК, мобільні телефони та домашнє обладнання
Якщо подивитися на пересічного користувача, то сьогодні більшість процесорів настільних комп'ютерів та ноутбуків для домашнього використання все ще працюють на таких вузлах, як 5 нм та 7 нм у випадку AMD Ryzenта еквівалентні або трохи старіші процеси в деяких лінійках продуктів Intel. У мобільних пристроях діапазон високого класу вже становить близько 3 та 4 нм, наприклад, чіпи Apple або деякі однокристальні системи від Qualcomm та MediaTek.
У цьому контексті, Ми не побачимо масового виробництва «повноцінних» процесорів для настільних комп'ютерів, повністю виготовлених за 2-нм технологією, у найближчій перспективі.Вартість однієї пластини різко зростає приблизно на 50% або більше при переході з 5 нм на 3 нм, а потім на 2 нм, а прибутковість виправдана лише в сегментах, де маржа на чіп дуже висока, таких як графічні процесори зі штучним інтелектом, серверні процесори або ультра-преміальні однокристальні системи.
У внутрішньому середовищі безпосередня тенденція така обирати гетерогенні конструкції з кількома виробничими вузлами в одному продуктіIntel вже використовує різні літографії в одному корпусі, щоб поєднати високопродуктивні ядра, ефективні ядра, інтегровану графіку та контролери введення-виведення збалансованим з точки зору вартості способом. AMD дотримується аналогічного підходу: вдосконалена літографія для основних чіплетів (CCD) та більш зріла літографія для кристала введення-виведення.
Це означає, що в середньостроковій перспективі ми, найімовірніше, побачимо гібридні продукти, де деякі частини чіпа (такі як основний обчислювальний блок, нейронний процесор або певні чіплети кешу) справді виготовляються за 2-нм технологієюУ той час як інші залишаться на дешевших вузлах, таких як 3 нм, 4 нм або навіть 6 нм. Мета полягає в тому, щоб збалансувати рівняння вартості, продуктивності та енергоспоживання без значного збільшення кінцевої ціни для споживача.
Розширення штучного інтелекту в усіх сегментах посилило тиск: тепер Майже кожен сучасний SoC або CPU потребує інтеграції спеціального NPU або прискорювача. для ефективного запуску моделей штучного інтелекту. Це збільшує складність проектування та вимагає більш спеціалізованої логіки на чіпі, для чого 2 нм є дуже привабливим, але також дуже дорогим.
Вартість, вихід на пластину та чому ще не всі перейдуть на неї
Удосконалена літографія завжди була дорогою, але з 3 нм та 2 нм Рахунок злетів до таких розмірів, що змушуєш задуматися двічі.Кажуть, що одна 2-нм пластина може коштувати від 25 000 до 30 000 доларів, залежно від прибутку TSMC та, перш за все, від досягнутого обсягу виробництва.
На початку життя вузла, вихід на пластину зазвичай можна явно покращитиЗ'являється більше дефектних чіпів, більше непридатних пластин і потрібно більше коригування процесів. Великі виробники прагнуть досягти щонайменше 70% рентабельності своїх 2-нм вузлів, щоб зробити їх справді прибутковими та привабливими для клієнтів. Доки цей поріг не буде досягнуто, ціни та обмеження потужності будуть дуже високими.
Це пояснює, чому багато конструкцій продовжують спиратися на вузли, такі як 3 нм, 4 нм або 5 нм, де Баланс між продуктивністю, споживанням та вартістю вже чудовий.Виправдання переходу на 2 нм для продукту середнього або малого обсягу виробництва, такого як процесор середнього класу або SoC для непреміальних пристроїв, є складним, коли вартість пластини майже подвоюється.
На додаток до всього цього, від 14 нм до 5 нм, галузь зазнала етап дуже швидкого та відносно «чистого» прогресуЦе особливо стосується TSMC, яка успішно перейшла на 7-нм та 5-нм технологічні процеси. Темпи змін у поєднанні з бумом центрів обробки даних зі штучним інтелектом та вибуховим зростанням споживчої електроніки довели виробничі потужності та необхідні інвестиції в нові заводи до межі.
Натомість, перехід Intel з 10-нм на еквівалентні 7-нм вузли був набагато складнішим, із затримками та проблемами з продуктивністю, що призвело до втрати частки ринку. Цей контраст чітко показав, що Кожен новий вдосконалений вузол складніший і дорожчий за попередній.І що недостатньо просто зменшити розмір транзисторів: архітектури, корпусування та системи живлення потрібно переробляти майже з нуля.
Чого може очікувати кінцевий користувач від 2-нм чіпів
Дивлячись на це з точки зору щоденного використання, 2-нм чіпи не стануть «магічним» стрибком, подібним до того, що ми бачили понад десять років тому.Коли нове покоління скоротить споживання вдвічі, епоха великих чудес мініатюризації закінчиться; тепер ми говоримо про більш поступові, але ретельно розроблені вдосконалення.
У найближчі роки вплив 2 нм буде відчутний першим у висококласний та професійний сегментиСервери, робочі станції, прискорювачі штучного інтелекту, універсальні графічні процесори, а пізніше смартфони та преміальні ноутбуки. Саме тут кожне невелике покращення продуктивності на ват перетворюється на багатомільйонні контракти та реальну конкурентну перевагу.
Для користувача це означає команди, здатні запускати більші моделі штучного інтелекту локальноСкладніші ігри з кращою частотою кадрів та нижчим енергоспоживанням, меншим часом рендерингу та компіляції, а також мобільні пристрої, які підтримують високу продуктивність протягом тривалішого часу без перегріву.
У середньостроковій перспективі найцікавішим буде те, поєднання цих вузлів з 3D-упаковкою та дизайном на основі чіплетівБільше багатошарових кристалів, пам'ять набагато ближче до обчислювальних блоків, внутрішні з'єднання з дуже високою пропускною здатністю та зростаюча спеціалізація кожного чіплета відповідно до його функції (процесор, графічний процесор, нейронний процесор, кеш, введення/виведення…).
Усі ці методи роблять повідомлення таким, що досягає споживача («новий чіп, швидший та ефективніший») Це може бути правдою, але за цим ховається дедалі складніша інженерія.2 нм — це лише один елемент набагато більшої головоломки, де кожна деталь має значення, щоб продовжувати використовувати кожен ват доступної енергії.
З огляду на те, що масове виробництво вже не за горами, а перші реальні проекти вже розпочалися, 2-нм чіпи призначені стати серцем наступного покоління процесорів та прискорювачів.Ми не побачимо раптових змін з року в рік, а радше стабільного прогресу, коли TSMC, Intel та Samsung змагатимуться за технологічне лідерство, тоді як такі клієнти, як Apple, NVIDIA, AMD, Fujitsu та Broadcom, вичавлюватимуть кожну краплю продуктивності з кожної нової ітерації; зрештою, для користувача все це призведе до появи пристроїв, які працюють краще, споживають менше енергії та відкриють двері до обчислювального досвіду, який ще зовсім недавно здавався науковою фантастикою.
