2-нм чипы вот-вот станут новым эталоном. из полупроводниковой промышленности, но они появляются не в простом контексте. Все более мелкие литографические технологии, взрывной рост искусственного интеллекта и жестокий спрос на центры обработки данных привели к тому, что такие производители, как TSMC, Samsung, Intel и AMD или Fujitsu, чтобы довести свои технические и экономические возможности до предела.
Когда мы говорим о 2 нанометрах в процессорах и системах на кристалле, Многие пользователи считают, что это просто меньшее число, означающее большую мощность, но на самом деле все гораздо сложнее. Нанометры (нм) больше не описывают напрямую физический размер логических элементов или расстояние между транзисторами; вместо этого они служат маркетинговым обозначением для объединения поколений технологических процессов с более высокой плотностью, лучшей производительностью и меньшим энергопотреблением.
Что на самом деле означает производство 2-нм чипов?
Так называемый 2-нм техпроцесс — это следующий шаг после 3-нм. В дорожной карте производства полупроводниковых MOSFET-транзисторов. Однако упомянутые Intel «2 нм» или «20 ангстремов» не соответствуют каким-либо конкретным размерам транзистора, таким как длина затвора или шаг металлизации. Согласно прогнозам IEEE для технологического узла 2,1 нм, ожидается шаг затвора приблизительно 45 нм и минимальный шаг металлизации около 20 нм.
На практике 2 нм используется в качестве маркетинговой маркировки. Обозначение «технологический процесс нового поколения» позволяет увеличить плотность транзисторов, повысить скорость и снизить энергопотребление по сравнению с 3-нм техпроцессом. Это освобождает производителей от привязки к фиксированным геометрическим параметрам и позволяет им конкурировать по общей производительности техпроцесса, хотя и значительно затрудняет прямое сравнение TSMC, Samsung и Intel.
Переход на 2 нм также подразумевает изменение архитектуры транзисторов.После многих лет совершенствования FinFET-транзисторов отрасль перешла к разработке транзисторов с затвором, охватывающим всю поверхность (GAAFET). Это включает в себя такие технологии, как горизонтальные нанолисты (Samsung MBCFET, Intel Nanoribbon), вертикальные нанопроволоки, CFET-транзисторы со стекированными транзисторами, варианты, такие как VFET, NC-FET-транзисторы с экзотическими материалами, а также перспективные CFET-транзисторы с каналами из двумерных материалов, таких как WS2 или графен.
Такие институты, как IMEC, предвидят цепочку инноваций. Для дальнейшего масштабирования за пределы 2 нм необходимы: массовое внедрение EUV-литографии с высокой числовой апертурой (0,55), межсоединения с использованием новых металлов, таких как рутений, резкое уменьшение высоты стандартных ячеек, распределение мощности на обратной стороне пластины, воздушные зазоры в диэлектрике и достижения в области 2,5D и 3D упаковки с все более плотно интегрированными чиплетами.
Всё это означает, что 2-нм техпроцесс — это не «простое» уменьшение размера кристалла. Однако это целый ряд существенных изменений в литографии, материалах, конструкции транзисторов и корпусировании, которые влияют как на общую производительность, так и на производительность на ватт, а также на надежность микросхем.
Какие улучшения производительности и эффективности ожидаются от 2-нм техпроцесса?
Цели 2-нм техпроцесса ясны: повышение производительности и улучшение эффективности.Переход от 3 нм к 2 нм должен означать в среднем увеличение производительности на 10–15%, снижение энергопотребления на 20–30% и приблизительное увеличение плотности транзисторов на 15%, согласно данным, используемым архитекторами программного обеспечения и EDA-систем, такими как Synopsys.
В настольной среде пользователи связывают эти достижения с более высокой частотой кадров и большей плавностью работы. При работе с ресурсоемкими приложениями, играми или задачами, требующими высокой производительности, важны энергопотребление и температура. Мы уже видели примеры «менее экстремальных» процессов, таких как 4-нм Ryzen 9000, предлагающие относительно холодные и энергоэффективные процессоры. Это устанавливает очень высокую планку для 2-нм техпроцессов, которые должны оправдывать значительное повышение цены.
Компания TSMC со своей платформой N2 сообщает аналогичные показатели.Производительность на 10-15% выше при том же энергопотреблении, или на 20-30% ниже при той же производительности, а также более чем на 20% выше плотность размещения по сравнению с N3E. Например, во внутренних демонстрациях было показано, что ядро ARM Cortex-A715, изготовленное по технологии N2, примерно на 16% быстрее при том же энергопотреблении, или позволяет сэкономить более 37% энергии при сохранении производительности.
Для конечного пользователя это означает уменьшение размеров устройств или увеличение времени автономной работы.более тонкие ноутбуки с лучшим временем автономной работы, смартфоны, которые запускают модели искусственного интеллекта локально с меньшим энергопотреблением и серверами, способными обрабатывать огромные объемы задач искусственного интеллекта при несколько меньших эксплуатационных расходах.
Проблема в том, что более высокая частота и большее количество транзисторов на мм² означают больше тепла.Взаимосвязь проста: более высокая производительность означает увеличение частоты и большего количества активных логических схем, что, в свою очередь, увеличивает теплоотвод. Если температура резко возрастает, срабатывают механизмы регулирования, и часть преимуществ новой литографии теряется. Именно поэтому большая часть инноваций сосредоточена как на тепловых аспектах, так и на распределении питания и упаковке.
Тепловые проблемы, FinFET, GAAFET и суровая физика.
С появлением технологии FinFET и агрессивным сокращением технологических узлов Всё более сложные проблемы с теплоотводом возникают, особенно в мобильных устройствах и серверах, где удельная мощность чрезвычайно высока. На настольных компьютерах очевидным решением всегда является огромный радиатор, улучшенная вентиляция или даже жидкостное охлаждение. Но такой вариант недоступен для смартфонов, умных часов или блейд-серверов в центрах обработки данных.
Именно поэтому производители уже много лет исследуют новые структуры транзисторов.Компания Samsung одной из первых вложила значительные средства в разработку GAAFET (своего MBCFET), а также экспериментировала с такими материалами, как молибден или альтернативные соединения для канала. Компания IBM, в свою очередь, в 2021 году продемонстрировала экспериментальный 2-нм чип с транзисторами GAAFET, изготовленными из кремниевых нанолистов, и длиной затвора около 12 нм, что стало важной вехой в лабораторных исследованиях.
Переход от FinFET к GAAFET обеспечивает гораздо более точное управление каналом.Это снижает утечки, улучшает характеристики при низком напряжении и помогает извлекать больше энергии на ватт. Кроме того, это открывает возможности, такие как CFET (вертикально расположенные pFET и nFET), которые обещают еще большую плотность в будущем, и даже вертикальные конструкции типа VTFET, уже продемонстрированные при шаге затвора менее 45 нм.
Тем не менее, термодинамика продолжает действовать.Каждый ватт, поступающий в чип, должен отводиться в виде тепла, и в таких малых технологических узлах эффективная площадь поверхности для рассеивания тепла не увеличивается с той же скоростью, что и количество транзисторов. Именно поэтому отрасль также уделяет внимание таким технологиям, как распределение питания с обратной стороны, более эффективная металлизация и 2,5D/3D-упаковка, разработанные для улучшения рассеивания тепла.
От этой нагрузки больше всего страдают мобильные устройства и высокопроизводительные вычисления.Они требуют высокой постоянной вычислительной мощности и, одновременно, очень строгих ограничений по энергопотреблению и температуре. 2-нм техпроцесс может помочь, но он не решает проблему перегрева волшебным образом; он требует постоянного баланса между плотностью, частотой, напряжением и охлаждением.
TSMC, Samsung, Intel и промышленная гонка за 2-нм техпроцессом
В настоящее время TSMC является доминирующим игроком на рынке производства современных микросхем.Занимая почти 60% рынка литейного производства и имея солидный опыт работы с такими техпроцессами, как 7 нм, 5 нм и 3 нм, компания начала серьезные исследования 2-нм техпроцесса примерно в 2019 году, с четкой целью перехода от FinFET к GAAFET, и получила поддержку правительства Тайваня для строительства специализированных заводов, таких как Fab 20 и Fab 22, предназначенных для производства N2.
Согласно плану развития, компания TSMC начала этап оценки рисков N2 в 2024 году.Начало серийного производства запланировано на вторую половину 2025 года. Фактически, начало серийного производства 2-нм чипов на заводе Fab 22 в Каосюне подтверждено на конец 2025 года, что делает этот техпроцесс самым передовым из доступных с точки зрения плотности и энергоэффективности. такие клиенты, как MediaTekApple, NVIDIA, AMD или Qualcomm.
Компания Samsung, со своей стороны, находится не в лучшем финансовом положении.В 2023 году выручка компании от продаж полупроводников упала более чем на 37% по сравнению с 2022 годом, что вынудило ее пересмотреть планы расширения и скорректировать численность персонала. Тем не менее, компания уже много лет разрабатывает свой 2-нм техпроцесс, известный как 2GAP, на основе MBCFET. Компания подтвердила свое намерение начать массовое производство в 2025 году, увеличив количество нанолистов по сравнению с 3-нм техпроцессом и сосредоточившись на металлизации, такой как монокристаллический металл, для снижения сопротивления.
Intel играет по-другому.Intel пытается трансформироваться из традиционного IDM (Intel Device Manager) в модель литейного производства для сторонних производителей. Первоначальный план предусматривал выпуск 20A-процессора (коммерчески эквивалентного 2-нм) к 2024 году и 18A-процессора к 2025 году, включающего ключевые технологии, такие как RibbonFET (версия GAAFET) и PowerVia (подача питания с задней стороны). Однако компания решила отменить наращивание производства 20A-процессора, чтобы сосредоточиться на 18A, сэкономив более 500 миллионов долларов и перенаправив достижения 20A-процессора на ускорение его разработки.
Этот процессор 18A, по заявлению Intel, изготовлен примерно по 1,8-нм техпроцессу.Процессор уже достиг достаточной зрелости для крупномасштабного производства в 2025 году и, по сообщениям, обеспечивает примерно на 15% большую энергоэффективность и на 30% большую плотность по сравнению с Intel 3. Процессоры, такие как Panther Lake и Clearwater Forest для рынка Xeon, а также будущие потребительские семейства, будут полагаться на него для прямой конкуренции с процессорами TSMC N2.
Между тем, Европа и Япония тоже хотят получить свою долю пирога.Блок из 17 стран Европейского союза выделил до 145.000 миллиардов евро на укрепление всей цепочки создания стоимости в полупроводниковой отрасли, уделяя особое внимание передовым технологиям, таким как 2 нм. В Японии консорциум Rapidus, при поддержке государства, соглашениях с IMEC и IBM, а также планах проведения производственных испытаний по технологии 2 нм на своем заводе в IIM-1, стремится вернуть страну в число лидеров передового производства.
Узкое место: CoWoS-L, передовые технологии упаковки и дефицит.
Главная проблема перехода на 2 нм заключается не только в производстве качественных кремниевых пластин.Вместо этого, речь идет о создании все более сложных конфигураций для упаковки получаемых чипов. Многие из самых передовых решений для ИИ и высокопроизводительных вычислений уже не являются классическими «монолитными чипами», а представляют собой системы из нескольких кристаллов, расположенных друг над другом или соединенных между собой с помощью межсоединительных плат сверхвысокой плотности, таких как технология CoWoS-L от TSMC.
CoWoS-L позволяет размещать несколько микросхем на одной подложке. Благодаря чрезвычайно плотной проводке, идеально подходящей для соединения вычислительных кристаллов со стеками памяти HBM или блоками 3D-кэша. Однако это также создает огромные проблемы, такие как дифференциальное тепловое расширение между различными материалами, которое может вызывать деформации, микротрещины или отказы в межсоединениях по мере нагревания и охлаждения чипа во время работы.
Значительная часть мощностей CoWoS-L компании TSMC уже задействована.По оценкам, NVIDIA монополизировала около 70% производства своих графических процессоров следующего поколения и ускорителей ИИ, создав узкое место для других клиентов, которым также необходима передовая технология упаковки: AMD со своими процессорами с 3D V-Cache, будущая Intel bLLC, призванная конкурировать с AMD X3D на потребительском рынке, и крупные процессоры EPYC или Xeon с огромным объемом встроенной кэш-памяти.
Эта насыщенность рынка уже затронула ключевые продукты.Выпуск чипов NVIDIA на базе архитектуры Blackwell столкнулся с многочисленными задержками, отчасти из-за проблем с производительностью и пропускной способностью CoWoS-L. В то же время TSMC приходится балансировать между своими выделенными линиями для 3-нм и 5-нм техпроцессов, которые по-прежнему обрабатывают очень большие объемы, и многомиллиардными инвестициями, необходимыми для масштабирования до 2-нм техпроцесса, как на этапе производства (фабрика), так и на этапе упаковки (завершение производства).
Всё это означает, что мы не увидим внезапной лавины 2-нм чипов.Многие компании предпочтут продолжать производство большинства своих продуктов по техпроцессу 3, 4 или 5 нм, оставляя 2 нм только для очень специфических диапазонов, где разница в производительности или эффективности компенсирует астрономическую стоимость кремниевых пластин и передовой упаковки.
Переход от 14 нм к 2 нм: менее «плавный» скачок, чем ожидалось.
Оглядываясь назад, переход от 14 нм к 7 нм и 5 нм казался относительно быстрым.По крайней мере, в экосистеме TSMC их 7-нм и 5-нм техпроцессы доказали свою зрелость и надежность, обеспечивая очень высокий выход годной продукции на пластину и отсутствие крупных технических скандалов. Intel же, напротив, пережила долгий путь перехода от 10-нм к 7-нм техпроцессу, с задержками, перепроектированием и изменениями стратегии, которые годами сдерживали ее конкурентоспособность.
Разница сейчас в том, что прогресс в литографии сочетается с невероятно высокими требованиями. Компания TSMC, имеющая опыт работы в сфере центров обработки данных и искусственного интеллекта, а также переживающая исторический рост производства мобильных устройств, уже испытывала трудности с выполнением всех заказов на 5-нм и 3-нм техпроцессы, не говоря уже о вложении огромных ресурсов в новые заводы, высокоапертурные EUV-литографии и разработку N2-технологий без ущерба для текущих поставок.
Переход от 7 до 6 нм или от 5 до 4 нм был относительно незначительным. С точки зрения повышения производительности и эффективности, переход от 5-нм к 3-нм техпроцессу был скорее направлен на оптимизацию затрат и повторное использование интеллектуальной собственности, чем на революционный скачок. Переход от 5-нм к 3-нм техпроцессу оказался гораздо более значительным, и именно здесь такие компании, как AMD, NVIDIA, Qualcomm, Samsung и Apple, получили реальные преимущества для своих высокопроизводительных SoC.
С появлением 3-нм техпроцесса стоимость одной кремниевой пластины взлетела примерно на 50%. По сравнению с 5-нм техпроцессом, а с 2-нм техпроцессом стоимость значительно возрастает. Обосновать использование техпроцесса, который на практике может стоить вдвое дороже за пластину, непросто, учитывая, что многие продукты более чем адекватно обрабатываются по 3-нм или 4-нм техпроцессу. Поэтому 2-нм техпроцесс будет сосредоточен в чипах с очень высокой добавленной стоимостью, особенно в центрах обработки данных, суперкомпьютерах и системах искусственного интеллекта.
Ситуацию усугубляет то, что растущая плотность вынуждает перепроектировать способы распределения функций. внутри процессора. Intel уже выбрала вариант разделения блоков с разной литографией в одном корпусе для баланса стоимости и производительности, в то время как AMD объединяет основные чиплеты на передовом техпроцессе с кристаллом ввода-вывода на более зрелом и дешевом техпроцессе. Такой гетерогенный подход будет становиться все более распространенным, и на потребительском уровне более вероятно увидеть процессоры с одним или несколькими 2-нм блоками, чем полностью монолитный 2-нм чип.
Конкретные 2-нм чипы: от Fujitsu-MONAKA до AMD Venice и Exynos 2600.
Помимо презентаций PowerPoint, уже существуют конкретные проекты в области 2-нм техпроцесса, вызывающие большой интерес.Одним из наиболее впечатляющих является процессор Fujitsu-MONAKA, разработанный компанией Fujitsu в сотрудничестве с Broadcom и TSMC. Это 144-ядерный SoC, предназначенный для следующего поколения японских суперкомпьютеров, в частности, для преемника Fugaku, известного как FugakuNEXT и разрабатываемого под руководством института RIKEN.
MONAKA использует усовершенствованную 3.5D-упаковку (XDSiP). Он ориентирован на максимальную энергоэффективность в средах высокопроизводительных вычислений (HPC) и при выполнении ресурсоемких задач искусственного интеллекта. Он включает в себя подсистему памяти с двенадцатью каналами DDR5, что в сочетании с поддержкой PCIe 6.0 и CXL 3.0 делает его мощным устройством с высокой пропускной способностью, идеально подходящим для обучения колоссальных моделей ИИ или выполнения чрезвычайно сложных научных симуляций.
Данная конструкция не является прямой конкуренцией для потребительских процессоров, таких как Ryzen или Core., но с профессиональные ускорители Как, например, AMD Instinct, NVIDIA Grace/Grace Hopper или решения Intel Xeon и Gaudi. Они сосредоточены на центрах обработки данных и суперкомпьютерах, а не на ПК или мобильных устройствах, но это демонстрирует, что 2-нм техпроцесс — это уже не просто обещание, а физическая реальность, которая создается на практике.
В мире x86 компания AMD анонсировала свой первый 2-нм кремниевый чип.CCD (Core Complex Die) для процессоров EPYC шестого поколения, получивших кодовое название «Venice», производится на заводе TSMC N2. Ожидается, что эти чипы, основанные на микроархитектуре Zen 6, появятся примерно в 2026 году и станут прямым конкурентом в борьбе за рынок серверов и облачных вычислений.
Данные, используемые компанией TSMC для этого процесса, относятся к EPYC Venice. Они сообщают о снижении энергопотребления на 24–35% или увеличении производительности при постоянном напряжении на 15% по сравнению с 3-нм классом N3, а также о примерно в 1,15 раза большей плотности транзисторов. Первый ПЗС-чип уже прошел базовые функциональные тесты (запуск и ввод в эксплуатацию), что является ключевым этапом проверки технологического процесса в реальных сложных условиях.
В мобильном сегменте компания Samsung с большой помпой представила свой процессор Exynos 2600. Это первый 2-нм SoC, разработанный для смартфонов. Компания заявляет о более чем 100% улучшении возможностей искусственного интеллекта и почти вдвое большей графической производительности по сравнению с предыдущим поколением, что позволяет этому чипу напрямую конкурировать с грядущим Apple A20 для iPhone и с другими процессорами. Решения Qualcomm и более мощные процессоры MediaTek.
Хотя многие из этих чипов все еще находятся на стадии тестирования или наращивания объемов производства.Они явно отражают направление развития отрасли: 2 нм для ИИ, высокопроизводительных вычислений, серверов и сверхпремиальных мобильных устройств, в то время как большая часть рынка еще довольно долго будет спокойно использовать 3, 4 и 5 нм.
Чего ожидать от домашних процессоров и какие технологические узлы мы увидим на практике?
В сегменте домашних компьютеров внедрение 2-нм техпроцесса будет происходить более постепенно.Сегодня большинство высокопроизводительных процессоров для настольных компьютеров и ноутбуков производятся по техпроцессам от 4 до 5 нм (например, серии Ryzen 7000/8000/9000) или их аналогам от Intel. Эти процессы уже обеспечивают превосходную производительность и эффективность, настолько, что для большинства пользователей узким местом является не литография.
Главным фактором изменений в персональных компьютерах является интеграция ускорителей искусственного интеллекта. Например, выделенные нейронные процессоры (NPU), которые мы уже видим на платформах «AI PC» от Intel, AMD и других производителей. По мере того, как эти блоки становятся все более сложными и мощными, 2-нм техпроцесс позволит разместить больше возможностей ИИ в том же пространстве с меньшим энергопотреблением, но вопрос соотношения затрат и выгод остается открытым.
Скорее всего, мы увидим гетерогенные конструкции, где только часть чипа будет изготовлена по 2-нм техпроцессу.Высокопроизводительные базовые блоки или блоки искусственного интеллекта в самых передовых технологических процессах, дополненные чипами ввода-вывода, интегрированной графикой или средствами связи в более зрелых процессах. Такой подход уже используется Intel в своих многоблочных архитектурах и освоен AMD в своих чиплетах, сочетающих ядро и чип ввода-вывода.
В мобильных телефонах, планшетах и носимых устройствах аргумент о времени автономной работы батареи имеет ключевое значение.2-нм SoC, сохраняющий производительность на уровне 3-нм, может обеспечить значительное снижение энергопотребления, что приведет к увеличению времени работы экрана. Но опять же, только высококлассные и ультрапремиальные модели смогут позволить себе такой дорогой техпроцесс, в то время как устройства среднего и низкого ценового сегмента будут значительно отставать.
В долгосрочной перспективе мы также увидим, как 2-нм техпроцесс проникнет в сетевые устройства, передовые технологии Интернета вещей и периферийные вычисления.Это особенно актуально в тех случаях, когда на периферии сети выполняются задачи искусственного интеллекта, требующие значительных вычислительных мощностей в очень ограниченном пространстве. Однако это будет зависеть от достижения приемлемого уровня выхода годных пластин (выше 70%), что по-прежнему остается серьезной проблемой для всех литейных предприятий.
Практическим следствием для рядового пользователя станет то, что он будет много слышать о 2 нм. В презентациях продуктов и пресс-релизах это будет заметно, но потребуется больше времени, чтобы заметить столь же революционный скачок, какой в свое время произошел при переходе от очень старых архитектур к современным. Прогресс будет по-прежнему реальным, но более постепенным и сосредоточенным в очень специфических сегментах рынка.
Короче говоря, 2-нм чипы представляют собой новый поворот в технологиях. Миниатюризация процессоров и SoC приносит ощутимые улучшения в производительности на ватт, плотности размещения и возможностях искусственного интеллекта, хотя и сопряжена с огромными техническими, тепловыми и экономическими проблемами. Приверженность TSMC, Samsung, Intel, AMD, Fujitsu и других игроков этой технологии определит следующее десятилетие развития вычислительной техники, но еще довольно долго она будет сосуществовать с 3-нм, 4-нм и 5-нм техпроцессами, которые останутся основной технологией отрасли.
Страстный писатель о мире байтов и технологий в целом. Мне нравится делиться своими знаниями в письменной форме, и именно этим я и займусь в этом блоге: покажу вам все самое интересное о гаджетах, программном обеспечении, оборудовании, технологических тенденциях и многом другом. Моя цель — помочь вам ориентироваться в цифровом мире простым и интересным способом.