Блог компании Selectel. В начале мая мы рассказывали о том, что компания IBM первой в мире создала 2-нм процессор, изготовив тестовые образцы. Руководство IBM заявило тогда, что «на кристалле размером примерно с ноготь удалось разместить 50 млрд транзисторов». Чуть позже последовало уточнение, что «размер с ноготь» это 150 мм². Честные у IBM 2 нм или маркетинговые — предмет дискуссии, но сама компания заявила именно о таком техпроцессе.

Сейчас о собственных планах развернуть производство 2-нм чипов заявила компания TSMC. Более того, она же рассказала о ряде технологических достижений, что, возможно, даст ей возможность через несколько лет начать производить процессоры по 1-нм технологии.

Что там у TSMC сейчас?

Сразу стоит сказать, что все эти заявления о 2-нм и 1-нм вовсе не означают возможность запустить производство соответствующих чипов в ближайшем обозримом будущем. В одном случае компания лишь начинает разработку технологического процесса, в другом речь и вовсе о предварительных исследованиях.

То, что есть у TSMC сейчас — улучшенная версия 5-нм технологии, которая получила название N5P. Она дает возможность увеличить частоту работы ядер чипа на 5% или снизить энергопотребление на 10% при той же сложности кристалла, что и в случае обычного 5-нм техпроцесса.

N5P дает возможность начать работу и с 4-нм техпроцессом. Причем в этом случае речь идет о начале производства процессоров уже в конце этого года (5-нм чипы, изготовленные по улучшенному техпроцессу начинают производить буквально на днях). 4-нм технология дает небольшую выгоду в энергопотреблении и частотах, базируясь на дизайне и инфраструктуре производства 5-нм чипов. Здесь никаких принципиальных отличий нет — все примерно то же самое.

Старт производства 4-нм чипов намечен на конец этого года, но массово они станут поставляться уже в следующем, 2022 году.

«N4 — это прямой переход от N5 с совместимым дизайном, обеспечивающий дальнейшее повышение производительности, мощности и плотности размещения транзисторов для следующей волны 5-нанометровых чипов. Производство N4 запланировано на вторую половину этого года, а на полную мощность производство элементов такого типа намечено на 2022 год», — заявил представитель компании.

В следующем году TSMC собирается начать производство 3-нм чипов, в ходе которого планируется использовать многозатворные транзисторы FinFet. Здесь уже будет выбор: значительный прирост производительности или падение энергопотребления (в зависимости от того, что именно необходимо заказчику).

По словам представителей компании, рост производительности 3-нм процессоров по сравнению с 5-нм техпроцессом составит 10–15%. Энергии новые чипы станут потреблять на треть меньше, если сложность будет такой же, как и у 5-нм чипа. Плотность размещения транзисторов увеличивается в 1,1–1,7 раза.

Компания увеличит количество слоев, но процессоры по-прежнему будут производиться посредством литографии в глубоком ультрафиолетовом диапазоне (DUV). Ну и поскольку речь идет о FinFET, кардинальных изменений инфраструктуры и инструментов не потребуется. Сейчас руководство компании заявило о том, что разработка 3-нм техпроцесса активно продвигается вперед, прогресс значительный. К слову, первые 3-нм чипы компания собирается показать в конце этого года, как и 4-нм. Ожидается, что на полную мощность линии заработают в 2022 году.

А что насчет 2-нм и 1-нм технологий?

Что касается 2-нм чипов, то для них будут создаваться уже транзисторы другого типа, GAAFET (gate-all-around FET). К слову, Samsung переходит на GAAFET уже в 3-нм чипах, что потребует смены инструментов автоматизации электронного проектирования, создания новой инфраструктуры и т.п. TSMC для ускорения работы оставляет все для 4– и 3-нм, но меняет в 2-нм. Сейчас для проведения работ в этом направлении переоборудуется фабрика Fab 12.

Руководство компании в прошлом году заявило о намерении выпустить первые 2-нм чипы «не позже 2024 года». Затем сроки сдвинулись на 2023 год — благодаря тому, что Apple присоединилась к разработке. «Яблочная» компания заинтересована в том, чтобы стать первым получателем 2-нм процессоров, поэтому делает для этого все возможное. Скорее всего, производиться такие чипы будут в Китае, на фабрике TSMC в городе Баошань, расположенном рядом с Синьчжу.

Ну и совсем недавно TSMC заявила о «технологическом прорыве» в разработке 1-нм микросхем. Компания вместе с группой ученых из Национального университета Тайваня (НУТ, National Taiwan University) и Массачусетского технологического института (МТИ, Massachusetts Institute of Technology, США) смогла разработать новую технологию.

Разработчики использовали висмут в качестве контактного электрода, что позволило снизить сопротивление материала и увеличить ток. Уже после этого открытия, сделанного в MIT, технологию стали дорабатывать все участники. Включая TSMC и NTU. Ученые из последнего университета предложили способ сокращения компонентного канала при помощи системы литографии пучка ионов гелия.

Конечно, до изготовления первых процессоров по 1-нм технологии несколько лет, пока что речь идет лишь о научном достижении, которое не так-то просто реализовать в условиях массового производства. Авторы технологии пока что даже чисто теоретически не сравнивают чипы, которые могут быть изготовлены по новому техпроцессу с существующими процессорами.

Эксперты утверждают, что 1-нм — технологический предел для текущих систем изготовления процессоров. Что будет дальше — пока неясно.