Блог компании Дата-центр «Миран». Два года назад мы рассказывали, что TSMC начинает разработку техпроцесса N2 (2 нм), который планирует запустить в массовое производство в 2025 году. Сейчас компания подтвердила, что всё идёт по плану.

Примечание. Радиус атома кремния составляет 110 пикометров или 0,11 нанометра. Термин «размер узла» в процессе фотолитографии с пометкой «14 нм», «10 нм», «7 нм», «5 нм», «3 нм» и «2 нм» является маркетинговым и не имеет отношения к геометрии транзисторов.

В 2020 году TSMC не привела технических деталей и не назвала дату внедрения технологии в массовое производство. Нам оставалось только догадываться об архитектуре транзисторов и сроках на основании косвенной информации. Теперь планы стали более определёнными.

GAAFET официально

На этой неделе гендиректор TSMC Си Си Вэй (C.C. Wei) официально подтвердил, что техпроцесс N2 основан на новой архитектуре транзисторов GAAFET (gate-all-around FET). Как понятно из названия, главной особенностью архитектуры являются кольцевые затворы.

Каналы транзисторов GAAFET представляют собой нанопровода, сформированные из нескольких горизонтальных кремниевых «нанолистов», в то время как у FinFET канал транзистора представляет монолитную вертикальную конструкцию, что накладывает ограничения по масштабированию. Новую архитектуру транзисторов с 2000 года разрабатывает организация, в которую входят также IBM, Globalfoundries и Samsung.

Для производства TSMC N2 будут использоваться существующие установки для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) с числовой апертурой 0,33.

Пластины в 2025 году, процессоры в 2026-м

TSMC ожидает, что технология будет готова к экспериментальному производству примерно в конце 2024 года, а к крупносерийному производству (HVM) — в конце 2025 года. Таким образом, заказчики микросхем (AMD, Nvidia, Apple и прочие) получат свои процессоры и GPU по техпроцессу 2 нм ориентировочно в 2026 году.

«Наша разработка N2 идет по плану, включая новую структуру транзисторов, и соответствует нашим ожиданиям», — сказал Вэй.

В целом, внедрение каждого нового технологического узла в отрасли становится всё труднее и занимает больше времени. Раньше TSMC внедряла новый техпроцесс каждые два года. Так, массовое производство N7 началось в апреле 2018 года, а N5 —в апреле 2020 года. Примерно с этого момента и началось замедление. В частности, N3 внедрят для коммерческого производства только во второй половине 2022 года. Это уже означает увеличение цикла до 2,5 лет. В случае с N2 срок вырастет как минимум до трёх лет, если мы действительно увидим HVM в конце 2025-го.

В прошлом году ASML сообщала, что задержит выпуск сканеров следующего поколения с высокой числовой апертурой 0,55 (high-NA EUV). Голландская компания — монополист на рынке оборудования EUV с запасом технологического лидерства на несколько лет. Поэтому задержка следующего поколения сканеров не отразится на прибыли компании. Скорее наоборот, ASML заработает ещё больше на продаже оборудования текущего поколения. Однако мы видим, что TSMC сумела каким-то образом приспособить для техпроцесса 2 нм текущее оборудование 0,33 NA.

Новая фабрика Fab 20

Для внедрения новой технологии TSMC строит новую фабрику в районе Баошань, округ Хсинчу (Fab 20). Тайваньские власти одобрили проект в середине 2021 года. Совет директоров TSMC одобрил строительство фабрики в начале 2022 года, а к настоящему моменту строительство уже началось. Если всё пойдёт по плану, строительство корпуса будет завершено к середине 2023 года, а оборудование установят и подготовят к производству во второй половине 2024 года. Затем начнутся испытания, выпуск экспериментальных партий и так далее, в соответствии с оглашёнными планами TSMC.

Некоторые эксперты считают, что по срокам внедрения новых узлов TSMC заметно отстаёт от своего технологического партнёра Samsung. Однако они специализируются на производстве разных микросхем, и TSMC ожидает, что её первый техпроцесс на транзисторах GAAFET в 2025 году станет более совершенным и сложным производственным процессом, чем будет к тому времени у Samsung. В то же время Samsung может освоить 2 нм уже в 2023 году.

Следует отметить, что TSMC использует очень осторожный подход к своим узлам N3 и N2. В то же время Samsung собирается уже в этом году начать производство транзисторов с круговыми затворами по техпроцессу 3GAE (3 нм). Самые передовые разработки Samsung традиционно использует лишь в собственных продуктах внутри компании, поэтому более широкое внедрение новой структуры транзисторов произойдёт в 2023 году, когда для внешних клиентов начнут производство транзисторов по архитектуре 3GAP (gate-all-around plus, 3 нм).

В то же время Intel планирует освоить на своих фабриках архитектуру Ribbon FET (тип транзистора GAA) для техпроцесса 20A в 2024 году, а затем использовать сканеры ASML Twinscan EXE и литографию High-NA EUV с числовой апертурой 0,55 для узла 18A в 2025 году. По сути, примерно за два года Intel планирует внедрить новый дизайн транзисторов и новый метод литографии — это очень агрессивный график.

TSMC считает, что структура транзисторов FinFET ещё не исчерпала себя, поэтому пока не рискует с транзисторами GAA. Компания уже шесть лет работает со сканерами ASML Twinscan NXE 0,33 NA EUV и хорошо освоила их, а внедрение новой архитектуры на привычном оборудовании значительно менее рискованно.

Сканер ASML Twinscan NXE 0,33 NA EUV

Будучи крупнейшим в мире контрактным производителем полупроводников, TSMC в целом очень осторожна. Для компании жизненно важно каждый год предлагать новый узел с определёнными улучшениями, чтобы удовлетворить требования Apple — своего основного клиента, который имеет тенденцию каждый год заказывать новые SoC для смартфонов.

Между тем, чтобы удовлетворить требования таких клиентов, как AMD или Nvidia, компания разрабатывает специальные версии узлов или для очень высокой производительности (узел N4X), или для оптимального сочетания плотности транзисторов, производительности и энергопотребления, что требуется конкретным приложениям (узлы 5N, 12N).

Планы России: 28 нм к 2030 году

Россия в условиях изоляции вынуждена осваивать собственное производство современной микроэлектроники, в том числе процессоров «Байкал» и «Эльбрус», которые раньше выпускались на заводах TSMC. В феврале 2022 года компания TSMC прекратила производство и поставки продукции в Россию.

Партия процессоров Baikal-M от TSMC, октябрь 2021 года

В апреле 2022 года правительство РФ подготовило предварительную концепцию нового нацпроекта в области радиоэлектроники.

Согласно концепции, в ближайшие месяцы планируется начать «реинжиниринг зарубежных решений и перенос их производства в РФ и Китай». Кроме того, уже в этом году РФ запустит производство 90 нм, а освоение техпроцесса 28 нм (как в iPhone 5S) запланировано на 2030 год.

Основной упор концепции — резкий рост числа дизайн-центров (300 центров с штатом как минимум по 100 профильных специалистов), а также стимулирование спроса за счёт субсидий. Реализация проекта обойдётся в 3,19 трлн руб. до 2030 года. Окончательное утверждение нацпроекта ожидается 22 апреля 2022 года.

Хотя морально устаревшие степперы 20-летней давности можно дёшево купить на мировом рынке через посредников, но это не единственная проблема. Эксперты отмечают, что создать экосистему производства микроэлектроники внутри РФ — весьма нетривиальная задача, мягко говоря.