Cipuri de 2nm în procesoare: așa se schimbă următoarea generație

Cipurile de 2nm sunt pe cale să devină noul standard din industria semiconductorilor, dar acestea nu sosesc într-un context ușor. Litografiile din ce în ce mai mici, explozia inteligenței artificiale și cererea brutală de centre de date au determinat producători precum TSMC, Samsung, Intel și AMD sau Fujitsu să își împingă la limită capacitățile tehnice și economice.

Când vorbim despre 2 nanometri în procesoare și SoC-uri Mulți utilizatori cred că este pur și simplu un număr mai mic care implică mai multă putere, dar realitatea este mult mai complexă. Nanometrii (nm) nu mai descriu direct dimensiunea fizică a porților logice sau distanța dintre tranzistoare; în schimb, ei funcționează ca o etichetă de marketing pentru a grupa generații de procese cu densitate mai mare, performanțe mai bune și consum mai mic de energie.

Ce înseamnă, de fapt, să produci cipuri de 2nm?

Așa-numitul nod de 2 nm este următorul pas după 3 nm. în foaia de parcurs pentru fabricarea semiconductorilor MOSFET. Cu toate acestea, „2 nm” sau „20 angstromi” menționate de Intel nu corespund niciunei dimensiuni specifice a tranzistorului, cum ar fi lungimea porții sau pasul metalic. Conform proiecțiilor IEEE pentru intervalul de noduri de 2,1 nm, se așteaptă un pas al porții de aproximativ 45 nm și un pas minim al metalului de aproximativ 20 nm.

În practică, 2 nm este folosit ca etichetă de marketing. pentru a descrie o nouă generație de procese care cresc densitatea tranzistoarelor, accelerează viteza și reduc consumul de energie în comparație cu 3 nm. Această denumire eliberează producătorii de obligativitatea unei valori geometrice fixe și le permite să concureze în ceea ce privește performanța generală a nodurilor, deși face mult mai dificilă pentru utilizatori compararea directă a TSMC, Samsung și Intel.

Trecerea la 2 nm implică și o modificare a arhitecturii tranzistoarelor.După ani de rafinare a FinFET-urilor, industria s-a orientat către modele FET de tip gate-all-around (GAAFET). Aceasta implică tehnologii precum nano-folii orizontale (Samsung MBCFET, Intel Nanoribbon), nanofire verticale, CFET-uri cu tranzistoare suprapuse, variante precum VFET-uri, NC-FET-uri cu materiale exotice și viitoare CFET-uri cu canale de materiale 2D, cum ar fi WS2 sau grafen.

Institute precum IMEC prevăd un lanț de inovații Pentru a putea continua scalarea dincolo de 2 nm: adoptarea masivă a EUV cu apertură numerică mare (0,55), interconectări cu metale noi, cum ar fi ruteniul, reducerea drastică a înălțimii standard a celulei, distribuția puterii pe partea din spate a plachetei, goluri de aer în dielectric și progrese în împachetarea 2,5D și 3D cu chipleturi din ce în ce mai integrate.

Toate acestea înseamnă că nodul de 2 nm nu este o simplă matriță micșorată. ci un set de schimbări profunde în litografie, materiale, designul tranzistoarelor și împachetare, care afectează atât performanța brută, cât și performanța per watt, precum și fiabilitatea cipurilor.

Ce îmbunătățiri de performanță și eficiență sunt așteptate de la 2 nm?

Obiectivele nodurilor de 2nm sunt clare: performanță mai mare și eficiență mai bunăTrecerea de la 3 nm la 2 nm ar trebui să însemne, în medie, o creștere a performanței între 10% și 15%, o reducere a consumului de energie între 20% și 30% și, aproximativ, o îmbunătățire de 15% a densității tranzistoarelor, conform cifrelor utilizate de arhitecții de proiectare software și EDA, precum cei de la Synopsys.

În mediul desktop, utilizatorii asociază aceste îmbunătățiri cu un FPS mai mare și o fluiditate sporită. atunci când rulați aplicații solicitante, jocuri sau sarcini creative. Deși consumul de energie și temperaturile contează, am văzut deja exemple de procese „mai puțin extreme”, cum ar fi Ryzen 9000 de 4nm, care oferă procesoare relativ eficiente și eficiente. Acest lucru stabilește un standard foarte înalt pentru procesoarele de 2nm, care trebuie să justifice o creștere uriașă a prețului.

TSMC, cu platforma sa N2, raportează cifre în același sens.Performanță cu 10 până la 15% mai mare la același consum de energie sau un consum de energie cu 20 până la 30% mai mic la aceeași performanță, pe lângă o creștere densității cu peste 20% față de N3E. În demonstrațiile interne, de exemplu, s-a observat că un nucleu ARM Cortex-A715 fabricat în N2 este cu aproximativ 16% mai rapid la același consum de energie sau economisește peste 37% din energie, menținând în același timp performanța.

Pentru utilizatorul final, acest lucru se traduce prin dispozitive mai mici sau cu o durată de viață mai lungă a bateriei.laptopuri mai subțiri cu o autonomie mai bună a bateriei, smartphone-uri care rulează local modele de inteligență artificială cu un consum redus de energie și servere capabile să gestioneze sarcini de lucru masive bazate pe inteligență artificială la un cost de operare puțin mai mic.

Problema este că o frecvență mai mare și mai mulți tranzistori pe mm² înseamnă mai multă căldură.Relația este simplă: o performanță mai mare înseamnă o frecvență crescută și un număr mai mare de circuite logice active, ceea ce, la rândul său, crește disiparea căldurii. Dacă temperaturile cresc brusc, mecanismele de limitare a presiunii se activează, iar unele dintre beneficiile noii litografii se pierd. De aceea, o mare parte din inovație se concentrează atât pe aspectele termice, cât și pe distribuția și împachetarea energiei.

Provocări termice, FinFET, GAAFET și fizică neiertătoare

De la apariția FinFET și reducerea agresivă a nodurilor Au apărut probleme termice din ce în ce mai complexe, în special în cazul dispozitivelor mobile și serverelor, unde densitatea de putere este extrem de mare. Pe computerele desktop, soluția evidentă este întotdeauna un radiator colosal, o ventilație sporită sau chiar răcirea cu lichid. Dar această opțiune nu este disponibilă pe smartphone-uri, ceasuri inteligente sau servere blade pentru centre de date.

De aceea, producătorii cercetează de ani de zile noi structuri de tranzistoare.Samsung a fost printre primele companii care au investit masiv în GAAFET (MBCFET-ul său), experimentând și cu materiale precum molibdenul sau compuși alternativi pentru canal. IBM, la rândul său, a demonstrat în 2021 un cip experimental de 2 nm cu tranzistoare GAAFET realizate din nano-folii de siliciu și lungimi ale porții de aproximativ 12 nm, marcând o piatră de hotar în laborator.

Saltul de la FinFET la GAAFET permite un control mult mai fin al canaluluiAcest lucru reduce scurgerile, îmbunătățește performanța la joasă tensiune și ajută la extragerea unei puteri mai mari per watt. În plus, deschide posibilități precum CFET-urile (pFET-uri și nFET-uri suprapuse vertical) care promit o densitate și mai mare în viitor și chiar modele verticale de tip VTFET, deja demonstrate la dimensiuni ale pasului porții sub 45 nm.

Chiar și așa, termodinamica este cea care impune regulileFiecare watt care intră în cip trebuie să iasă sub formă de căldură, iar în noduri atât de mici, suprafața efectivă de disipare a căldurii nu crește în același ritm cu numărul de tranzistoare. De aceea, industria se concentrează și pe tehnici precum distribuția puterii din spate, metalizarea mai eficientă și împachetarea 2,5D/3D concepută pentru a îmbunătăți disiparea căldurii.

Dispozitivele mobile și HPC sunt cele care suferă cel mai mult de pe urma acestei presiuni.Acestea necesită o putere de calcul mare și susținută și, în același timp, limite foarte stricte privind consumul de energie și temperatura. Procesul de 2nm poate ajuta, dar nu rezolvă în mod magic problema căldurii; necesită un echilibru continuu între densitate, frecvență, tensiune și răcire.

TSMC, Samsung, Intel și cursa industrială pentru 2nm

TSMC este în prezent jucătorul dominant în producția de cipuri avansateCu o cotă de piață de aproape 60% în turnătorii și un palmares foarte solid în noduri precum 7nm, 5nm și 3nm, compania a început cercetări serioase în domeniul 2nm în jurul anului 2019, cu ideea clară de a trece de la FinFET la GAAFET și a primit sprijin din partea guvernului taiwanez pentru a construi fabrici specifice, precum Fab 20 și Fab 22, dedicate N2.

Conform foii sale de parcurs, TSMC a inițiat faza de risc N2 în 2024.cu producția inițială planificată pentru a doua jumătate a anului 2025. De fapt, începerea producției în serie de cipuri de 2nm la Fab 22 din Kaohsiung a fost confirmată pentru sfârșitul anului 2025, ceea ce face ca acest nod să fie cel mai avansat disponibil în ceea ce privește densitatea și eficiența energetică pentru clienți precum MediaTek, Apple, NVIDIA, AMD sau Qualcomm.

Samsung, la rândul său, nu ajunge în cel mai bun moment financiar.Veniturile sale din semiconductori au scăzut cu peste 37% în 2023 față de 2022, obligând-o să își revizuiască planurile de extindere și să își ajusteze forța de muncă. Chiar și așa, compania își dezvoltă de ani de zile procesul de 2 nm, cunoscut sub numele de 2GAP, bazat pe MBCFET. Compania și-a reafirmat intenția de a începe producția de masă în 2025, crescând numărul de nano-folii față de 3 nm și concentrându-se pe metalizări precum metalul cu granule unice pentru a reduce rezistența.

Intel joacă un joc diferit.Intel încearcă să se transforme dintr-un model IDM (Intel Device Manager) tradițional într-un model de turnătorie pentru terți. Planul său inițial prevedea un nod Intel de 20A (echivalent comercial cu 2nm) până în 2024 și un nod de 18A până în 2025, cu tehnologii cheie precum RibbonFET (versiunea sa de GAAFET) și PowerVia (furnizare de alimentare din spate). Cu toate acestea, compania a decis să anuleze creșterea producției de 20A pentru a se concentra pe 18A, economisind peste 500 de milioane de dolari și reutilizând progresele de la 20A pentru a accelera dezvoltarea 18A.

Acest 18A, pe care Intel îl prezintă ca fiind un proces de aproximativ 1,8 nmA atins deja o maturitate suficientă pentru producția la scară largă în 2025 și s-a raportat că va oferi o eficiență energetică cu aproximativ 15% mai mare și o densitate cu 30% mai mare în comparație cu Intel 3. Procesoare precum Panther Lake și Clearwater Forest pentru piața Xeon, precum și viitoarele familii de consumatori, se vor baza pe acesta pentru a concura direct cu N2 de la TSMC.

Între timp, Europa și Japonia își doresc și ele partea lor din plăcintă.Un bloc de 17 țări din Uniunea Europeană s-a angajat să aloce până la 145.000 de miliarde de euro pentru a consolida întregul lanț valoric al semiconductorilor, concentrându-se pe noduri avansate precum cele de 2 nm. În Japonia, consorțiul Rapidus, cu sprijin de stat, acorduri cu IMEC și IBM și planuri de testare a producției la 2 nm la fabrica sa IIM-1, își propune să readucă țara în avangarda producției avansate.

Blocaj: CoWoS-L, ambalaje avansate și penurii

Marea problemă cu trecerea la 2 nm nu este doar realizarea de napolitane buneci mai degrabă să ambaleze cipurile rezultate în configurații din ce în ce mai complexe. Multe dintre cele mai avansate soluții pentru IA și HPC nu mai sunt „cipuri monolitice” clasice, ci sisteme de matrițe multiple suprapuse sau interconectate prin interpozitoare de densitate ultra-înaltă, cum ar fi tehnologia CoWoS-L de la TSMC.

CoWoS-L permite plasarea mai multor cipuri pe un interpozer cu cablaje extrem de dense, perfecte pentru conectarea matrițelor de calcul cu stive de memorie HBM sau blocuri de cache 3D. Dar introduce și provocări enorme, cum ar fi expansiunea termică diferențială între diferitele materiale, care poate genera deformări, microfisuri sau defecțiuni ale interconexiunilor pe măsură ce cipul se încălzește și se răcește în timpul funcționării.

O mare parte din capacitatea CoWoS-L a TSMC este alocatăSe estimează că NVIDIA a acaparat aproximativ 70% din producția pentru GPU-urile și acceleratoarele AI de generație următoare, creând un blocaj pentru alți clienți care au nevoie și ei de configurații avansate: AMD cu procesoarele sale cu 3D V-Cache, viitorul Intel bLLC pentru a concura cu X3D de la AMD pe piața de consum și procesoarele EPYC sau Xeon mari cu cantități uriașe de cache integrat.

Această saturație a afectat deja produse cheieCipurile NVIDIA bazate pe arhitectura Blackwell au suferit multiple întârzieri, parțial din cauza problemelor de performanță și de capacitate CoWoS-L. În același timp, TSMC trebuie să-și echilibreze liniile dedicate de 3nm și 5nm, care încă gestionează volume foarte mari, cu investițiile de miliarde de dolari necesare pentru a scala până la 2nm, atât în ​​front-end (fabric), cât și în back-end (packaging).

Toate acestea înseamnă că nu vom vedea o avalanșă bruscă de cipuri de 2nm.Multe companii vor prefera să continue producția la 3, 4 sau 5 nm pentru majoritatea produselor lor, rezervând 2 nm doar pentru intervale foarte specifice unde diferența de performanță sau eficiență compensează costul astronomic al napolitanelor și al ambalajelor avansate.

De la 14 nm la 2 nm: un salt mai puțin „lin” decât era de așteptat

Privind în urmă, tranziția de la 14 nm la 7 nm și 5 nm părea relativ rapidă.Cel puțin în cadrul ecosistemului TSMC, nodurile lor de 7nm și 5nm s-au dovedit mature și fiabile, cu randamente foarte mari per wafer și fără scandaluri tehnice majore. Intel, pe de altă parte, a trecut printr-o odisee în tranziția de la 10nm la 7nm, cu întârzieri, reproiectări și schimbări de strategie care i-au împiedicat competitivitatea timp de ani de zile.

Diferența acum este că progresul în litografie a fost combinat cu o cerere brutală Venind din centre de date și inteligență artificială, pe lângă o expansiune istorică în domeniul dispozitivelor mobile, TSMC se lupta deja să onoreze toate comenzile pentru procese de 5nm și 3nm, darămite să investească resurse masive în noi fabrici, EUV-uri cu NA ridicat și dezvoltarea N2 fără a afecta oferta actuală.

Trecerea de la 7 la 6 nm sau de la 5 la 4 nm a fost relativ modestă. În ceea ce privește performanța și eficiența, procesul de la 5nm la 3nm a avut mai mult ca scop optimizarea costurilor și reutilizarea proprietății intelectuale decât un salt revoluționar. Tranziția de la 5nm la 3nm a fost mult mai semnificativă, iar aici companii precum AMD, NVIDIA, Qualcomm, Samsung și Apple au văzut beneficii reale pentru SoC-urile lor de înaltă performanță.

Odată cu disponibilitatea tehnologiei de 3 nm, costul per plachetă a crescut vertiginos cu aproximativ 50%. Comparativ cu 5nm, și cu 2nm costul crește semnificativ. Justificarea unui nod care poate, în practică, să coste de două ori mai mult per plachetă nu este o sarcină ușoară, atunci când multe produse sunt procesate mai mult decât adecvat cu 3nm sau 4nm. Prin urmare, 2nm va fi concentrat în cipuri cu valoare adăugată foarte mare, în special în centre de date, supercomputer și inteligență artificială.

Ca și cum lucrurile nu ar fi fost deja destul de relevante, densitatea crescândă forțează o reproiectare a modului în care sunt distribuite funcțiile. în cadrul unui procesor. Intel a optat deja pentru separarea plăcuțelor cu litografii diferite în cadrul aceluiași pachet pentru a echilibra costul și performanța, în timp ce AMD combină chipleturi de bază pe un nod avansat cu o matriță I/O pe un proces mai matur și mai ieftin. Această abordare eterogenă va deveni din ce în ce mai frecventă, iar la nivel de consumator, este mai probabil să vedem procesoare cu unul sau mai multe blocuri de 2 nm decât un cip complet monolitic de 2 nm.

Cipuri specifice de 2nm: de la Fujitsu-MONAKA la AMD Venice și Exynos 2600

Dincolo de prezentările PowerPoint, există deja proiecte concrete de 2nm care generează vâlvă.Unul dintre cele mai remarcabile este procesorul Fujitsu-MONAKA, dezvoltat de Fujitsu în colaborare cu Broadcom și TSMC. Acesta este un SoC cu 144 de nuclee, conceput pentru următoarea generație de supercomputere japoneze, în special succesorul lui Fugaku, cunoscut sub numele de FugakuNEXT și condus de institutul RIKEN.

MONAKA folosește ambalaj 3.5D avansat (XDSiP) Se concentrează pe maximizarea eficienței energetice în mediile de calcul de înaltă performanță (HPC) și în sarcinile de lucru intense de inteligență artificială. Încorporează un subsistem de memorie cu doisprezece canale DDR5, care, combinat cu suportul pentru PCIe 6.0 și CXL 3.0, îl transformă într-o sursă puternică de lățime de bandă, ideală pentru antrenarea unor modele de inteligență artificială colosale sau pentru rularea unor simulări științifice extrem de complexe.

Acest design nu concurează direct cu procesoarele de larg consum, cum ar fi Ryzen sau Core., dar cu acceleratoare de calitate profesională precum AMD Instinct, NVIDIA Grace/Grace Hopper sau soluțiile Xeon și Gaudi de la Intel. Accentul lor este pus pe centre de date și supercomputer, nu pe PC-uri sau dispozitive mobile, dar demonstrează că tehnologia de 2 nm nu mai este doar o promisiune, ci o realitate fizică care este fabricată.

În lumea x86, AMD a anunțat primul său procesor pe siliciu de 2nm.Un CCD (Core Complex Die) pentru procesoarele EPYC de a șasea generație, cu nume de cod „Venice”, fabricate la fabrica N2 a TSMC. Aceste cipuri, bazate pe microarhitectura Zen 6, sunt așteptate să sosească în jurul anului 2026 și reprezintă un concurent direct în bătălia pentru piața serverelor și a cloud computing-ului.

Cifrele pe care TSMC le folosește pentru acest proces s-au aplicat la EPYC Venice Aceștia raportează reduceri ale consumului de energie de 24% până la 35% sau creșteri de 15% ale performanței la tensiune constantă în comparație cu clasa N3 de 3 nm, pe lângă o densitate a tranzistoarelor de aproximativ 1,15 ori mai mare. Primul CCD a trecut deja testele funcționale de bază (tape-out și bring-up), un pas esențial în validarea nodului într-un design complex, din lumea reală.

În sectorul mobil, Samsung a dezvăluit cu mare fast procesorul său Exynos 2600. ca primul SoC de 2nm conceput pentru smartphone-uri. Compania se mândrește cu o îmbunătățire de peste 100% a capacităților de inteligență artificială și cu aproape dublul performanței grafice față de generația anterioară, poziționând acest cip pentru a concura direct cu viitorul Apple A20 pentru iPhone și cu Soluții Qualcomm și MediaTek de gamă superioară.

Deși multe dintre aceste cipuri sunt încă în faza de testare sau de dezvoltare rapidăAcestea reprezintă în mod clar direcția industriei: 2 nm pentru inteligență artificială, HPC, servere și dispozitive mobile ultra-premium, în timp ce cea mai mare parte a pieței va continua să se miște confortabil în 3, 4 și 5 nm pentru o perioadă destul de lungă.

La ce să ne așteptăm de la procesoarele de acasă și ce noduri vom vedea în practică

În cazul computerelor de acasă, adoptarea tehnologiei de 2 nm va fi mai graduală.Astăzi, majoritatea procesoarelor desktop și laptop de înaltă performanță sunt fabricate pe noduri de 4nm până la 5nm (seria Ryzen 7000/8000/9000, de exemplu) sau echivalentele lor Intel. Aceste procese oferă deja performanțe și eficiență excelente, până în punctul în care litografia nu mai reprezintă un blocaj pentru majoritatea utilizatorilor.

Principalul motor al schimbării în domeniul PC-urilor este integrarea acceleratoarelor de inteligență artificială. cum ar fi NPU-urile dedicate, lucru pe care îl vedem deja la platformele „PC AI” de la Intel, AMD și alți producători. Pe măsură ce aceste blocuri devin mai complexe și mai puternice, tehnologia de 2 nm va permite includerea mai multor capabilități AI în același spațiu, cu un consum mai mic de energie, dar rămâne o chestiune de cost-beneficiu.

Cel mai probabil vom vedea modele eterogene în care doar o parte a cipului este la 2 nm.Dale de bază de înaltă performanță sau blocuri AI în cel mai avansat nod, însoțite de cipuri I/O, grafică integrată sau comunicare în noduri mai mature. Aceasta este abordarea deja utilizată de Intel cu designurile sale multi-tile și stăpânită de AMD cu chipleturile sale core + die I/O.

În cazul telefoanelor mobile, tabletelor și dispozitivelor portabile, argumentul duratei de viață a bateriei este esențial.Un SoC de 2nm care menține aceeași performanță ca unul de 3nm poate oferi o reducere semnificativă a consumului de energie, rezultând un timp de afișare mai lung. Dar, din nou, doar modelele high-end și ultra-premium își vor permite un nod atât de scump, în timp ce dispozitivele mid-range și low-end vor rămâne cu câțiva pași în urmă.

Pe termen lung, vom vedea, de asemenea, cum tehnologia de 2nm își face loc în dispozitivele de rețea, IoT avansat și edge computing.Acest lucru este valabil mai ales acolo unde există sarcini de lucru bazate pe inteligență artificială la marginea rețelei, care necesită o putere de calcul semnificativă în spații foarte mici. Cu toate acestea, acest lucru va depinde de randamentele napolitane care ating niveluri rezonabile (peste 70%), ceea ce rămâne o provocare majoră pentru toate turnătoriile de astăzi.

Consecința practică pentru utilizatorul obișnuit este că va auzi multe la aproximativ 2 nm în prezentările de produse și comunicatele de presă, dar va dura mai mult până se observă un salt la fel de revoluționar precum cel care a avut loc la trecerea de la arhitecturi foarte vechi la cele actuale. Progresul va continua, dar va fi mai incremental și concentrat pe segmente de piață foarte specifice.

Pe scurt, cipurile de 2nm reprezintă o nouă întorsătură. Miniaturizarea procesoarelor și a SoC-urilor aduce îmbunătățiri tangibile în ceea ce privește performanța per watt, densitatea și capacitățile de inteligență artificială, deși vine cu provocări tehnice, termice și economice enorme. Angajamentul TSMC, Samsung, Intel, AMD, Fujitsu și al altor jucători față de această litografie va defini următorul deceniu al informaticii, dar pentru o perioadă destul de lungă va coexista cu noduri de 3nm, 4nm și 5nm, care vor rămâne pilonul industriei.