Несмотря на отсутствие доступа к оборудованию для выпуска чипов с литографией в экстремальном ультрафиолете (EUV) из-за санкций, китайская компания SMIC продолжает разработку 5-нм и 3-нм техпроцессов производства чипов. Ранее SMIC удалось наладить серийное производство 7-нм микросхем, опираясь исключительно на литографию в глубоком ультрафиолете (DUV), что само по себе не является невозможным — техпроцесс TSMC N7P также не использует EUV.

Источник изображения: SMIC

В отчёте Nikkei утверждается, что сразу после запуска 7-нм техпроцесса 2-го поколения, SMIC создала исследовательскую группу для работы над 5-нм и 3-нм техпроцессами. Команду возглавляет ранее работавший в TSMC и Samsung содиректор SMIC Лян Монг-Сонг (Liang Mong-Song). «Нет более умного учёного или инженера, чем этот парень, — так охарактеризовал его Дик Терстон (Dick Thurston), бывший главный юрисконсульт TSMC. — Он действительно один из самых блестящих умов, которых я видел в области полупроводников».

SMIC прошла долгий путь от небольшой полупроводниковой фабрики до пятого по величине контрактного производителя микросхем в мире. На фоне растущей напряжённости между США и Китаем компания была включена в санкционный список Министерства торговли США и потеряла доступ к передовым инструментам для обработки кремниевых пластин, что серьёзно замедлило её развитие и внедрение новых технологических процессов.

На данный момент литографические машины ASML Twinscan NXT:2000i являются лучшими инструментами, которыми располагает SMIC — они могут производить травление с разрешением до 38 нм. Этот уровень точности обеспечивает экспонирование с шагом 38 нм с использованием двойной фотомаски, чего достаточно для производства чипов класса 7 нм. Согласно исследованиям ASML и IMEC, при 5 нм шаг металла уменьшается до 30-32 нм, а при 3 нм — до 21-24 нм, что уже требует применения EUV.

Источник изображения: ASML

Но использование инструментов литографии со сверхвысоким разрешением (13 нм для EUV с низкой числовой апертурой) — не единственный путь к достижению сверхмалых размеров транзисторов. Другой вариант предусматривает нанесение нескольких последовательных масок, но это сложный процесс, который увеличивает продолжительность производственного цикла, снижает процент выхода годных изделий, увеличивает износ оборудования и повышает затраты. Однако без доступа к EUV-литографии у SMIC просто нет другого выбора, кроме как использовать тройное, четверное или даже пятикратное паттернирование.

Терстон считает, что под руководством Лян Монг-Сонга SMIC сможет производить (если уже не производит) 5-нм чипы в больших количествах без использования инструментов EUV. Однако сегодняшний отчёт Nikkei впервые сообщает о возможной способности SMIC разработать в обозримом будущем 3-нм производственный процесс на оборудовании класса DUV.

На конференции Innovation 2023 глава компании Intel Патрик Гелсингер (Patrick Gelsinger) показал кремниевую пластину с процессорами Arrow Lake, выполненными по техпроцессу 20A (20 ангстрем или 2 нм). Эти чипы появятся в 2024 году и станут первыми за 13 лет носителями новой архитектуры транзисторов. На мероприятии глава Intel раскрыл кое-какие детали будущих архитектур, что можно считать официальным подтверждением появившихся ранее утечек.

Источник изображения: Intel

Значительным событием стало подтверждение планов Intel начать выпуск 2-нм процессоров в 2024 году — раньше, чем это сделают компании TSMC и Samsung, до этого показавшие значительный технологический отрыв от микропроцессорного гиганта. Компания Intel поставила перед собой цель освоить за четыре года выпуск процессоров на пяти новых технологических узлах и, похоже, строго следует этому плану. Более того, по ряду технологических новшеств Intel собирается оказаться впереди как Samsung, так и TSMC.

Пластина с чипами Arrow Lake

В частности, компания Intel первой переведёт линии питания элементов процессоров на заднюю часть подложки. Сигнальные линии останутся на прежнем месте, а питание будет подаваться с обратной стороны непосредственно на транзисторы. Произойдёт это, начиная с транзисторов чипов Arrow Lake, которые компания уже выпускает в виде инженерных образцов.

Разделение питания и сигнальных линий даст много преимуществ, хотя также будет сопряжено с технологическими трудностями. Разгрузка объёма пластины со стороны сигнального интерфейса позволит упростить разводку и повысить скорость работы сигнального интерфейса за счёт уменьшения длин соединений и, соответственно, снижения их сопротивления току. Такое же упрощение разводки питания (с обратной стороны) и даже увеличение сечения проводников питания позволит уменьшить переходные процессы и даже откроет путь к увеличению плотности размещения транзисторов. Компания TSMC, например, планирует внедрить похожую технологию не раньше 2026 года или на два года позже Intel.

Доставка питания сзади (справа на изображении). Слева — актуальный подход, когда сигнал и питание подаются в одном слое

Но определённо революционным новшеством в процессорах Arrow Lake станут новые транзисторы RibbonFET Gate-All-Around (GAA) с каналами, полностью окружёнными затворами. Это будут первые с 2011 года новые транзисторы в процессорах Intel после начала производства транзисторов FinFET с вертикальными каналами (рёбрами), окружёнными затворами только с трёх сторон. Подобные транзисторы в собственной интерпретации (SF3E) уже выпускает компания Samsung, но она не готова сделать их массовыми. Компания Intel, похоже, готова организовать производство GAA-транзисторов на массовой основе.

Архитектурно GAA-транзисторы Intel похожи на такие же транзисторы Samsung. Они точно также представлены расположенными друг над другом каналами в виде тонких нанолистов (наностраниц), окружённых затворами со всех сторон. В составе транзистора Intel использует четыре канала. По словам Intel, такая конструкция обеспечивает более быстрое переключение транзисторов при использовании управляющего тока аналогичного по силе току для FinFET. При этом GAA-транзистор занимает на подложке заметно меньше места, чем FinFET.

Компания TSMC рассчитывает внедрить в производство собственную архитектуру GAA в 2025 году или на год позже Intel. В этом формально Samsung опередила своих конкурентов, но в плане массовости производства самых передовых решений она пока ничем похвастаться не может.

Компания TSMC вышла на массовое производство 3-нм чипов с уровнем выхода годной продукции выше 70 %. И обычно клиенты оплачивают все пластины и чипы, включая бракованные. Однако на эксклюзивных условиях сотрудничества компания Apple платит тайваньскому контрактному производителю микросхем только за годные кристаллы, сообщает портал AppleInsider, ссылающийся на отчёт издания The Information.

Источник изображения: TSMC

По словам операционного директора Apple Джеффа Уильямса (Jeff Williams), Apple и TSMC связывают долгие и насыщенные отношения. Как пишет The Information, эти отношения по-настоящему уникальны и выделяются как на фоне сотрудничества TSMC с другими своими клиентами, так и на фоне отношений прочих производителей чипов со своими покупателями.

В частности, TSMC не взимает с Apple полную стоимость пластин с использованием 3-нм техпроцесса, в которых содержатся сотни кристаллов будущих процессоров. Тайваньский контрактный производитель берёт с Apple плату только за годные кристаллы. Обычно разница в цене не является статистически значимой, потому что со временем TSMC так или иначе выходит на уровень выпуска 99 % годных кристаллов на кремниевой пластине. Однако в настоящий момент уровень пригодных к использованию 3-нм кристаллов составляет около 70–80 %. Поскольку Apple не платит TSMC за негодные кристаллы, это позволяет ей значительно экономить. Речь идёт о миллиардах долларов.

Apple выкупила практически все мощности TSMC для выпуска 3-нм изделий ещё несколько лет назад. The Information утверждает, что TSMC способна вести разработку новых технологических процессов в частности благодаря тому, что Apple готова заранее и в больших объёмах оплачивать производственные мощности для выпуска новых передовых чипов. Отмечается, что как только TSMC снизит уровень производственного брака кристаллов и повысит объём выпуска годных чипов, она сможет предоставлять свои услуги по производству 3-нм процессоров и другим компаниям, но уже без таких выгодных условий.

Предполагается, что использование 3-нм процессоров в составе будущих смартфонах iPhone 15 до 35 % увеличит показатель их энергоэффективности по сравнению с актуальными моделями iPhone 14, сообщает AppleInsider.

Хотя Samsung начала массовое производство чипов на базе техпроцесса SF3E (3 нм, транзисторы GAA) примерно год назад, к настоящему моменту мало кто из производителей электроники подтвердил его использование в своих продуктах. Недавно аналитики TechInsights выяснили, что одним из первых заказчиков 3-нм чипов у Samsung стала компания MicroBT, выпускающая ASIC-майнеры. Выполненный по технологии SF3E чип применяется в её криптомайнере Whatsminer M56S++.

Источник изображения: Arm

Специализированные интегральные схемы ASIC для добычи криптовалюты представляют собой небольшие чипы с относительно малым количеством входящих в их состав транзисторов и повторяющимися логическими структурами, похожими на простые битовые ячейки памяти SRAM. В целом за счёт простоты производства таких чипов это делает их весьма подходящей платформой для тестирования передовых технологически процессов. Поэтому совсем неудивительно, что техпроцесс SF3E нашёл своё первое практическое применение именно в среде криптомайнинга.

К сожалению, в открытом доступе о ASIC-майнере Whatsminer M56S++ не так много информации. Известно лишь, что система компании MictoBT на основе этого чипа обеспечивает хешрейт на уровне 240–256 Тхеш/с и обладает энергоэффективностью 22 джоуля на терахэш.

Источник изображения: Samsung

На данный момент неизвестно, используется ли 3-нм технология SF3E компании Samsung в каких-либо других коммерческих решениях помимо оборудования для майнига. Однако сама Samsung заявляет, что «использует этот техпроцесс в своих продуктах».

«Мы массово производим чипы на основе первого поколения 3-нм техпроцесса со стабильным уровнем выхода годных микросхем. С учётом этого опыта мы уже ведём разработку второго поколения техпроцесса, который обеспечит ещё более высокий выход годных чипов», — цитирует портал Tom’s Hardware одно из недавних заявлений компании.

По сравнению с техпроцессами 5-нм класса Samsung второго поколения (SF5, 5LPP), SF3E обещает снижение энергопотребления микросхем до 45 % при сохранении той же частоты работы, либо повышение производительности до 23 % при сохранении количества транзисторов и мощности. Кроме того, чипы с использованием SF3E занимают на 16 % меньшую площадь.

Контрактный производитель полупроводников Intel Foundry Services (IFS) представил новый технологический процесс 16-нм класса, получивший название Intel 16. Он предназначен для производства чипов для мобильных устройств, RF-модулей, компонентов IoT, бытовой техники, устройств для хранения данных, а также для использования в военной и аэрокосмических отраслях. Новая технология дополняет 22-нм техпроцесс Intel FFL и считается недорогим техпроцессом на основе FinFET.

Источник изображения: Intel

Как указывается в пресс-релизе компаний Synopsys, Cadence Digital и Ansys, являющихся ведущими поставщиками средств автоматизации проектирования электроники, новый техпроцесс Intel 16 разработан специально под широкий круг изделий от разных заказчиков. Технология класса 16 нм Intel предлагает более высокую плотность транзисторов, более высокую производительность и энергоэффективность по сравнению с планарными техпроцессами, которые применяются сегодня для перечисленных выше полупроводниковых изделий, а также обещает упросить процесс проектирования и производства полупроводниковых компонентов.

Сотни различных видов электронных микросхем по-прежнему производятся с применением зрелых технологических узлов. Сюда можно отнести однопрограммные процессоры, различные контроллеры и аналоговые устройства, чипы для бытовой техники и радиоустройств. Использование зрелых узлов обходится дешевле, проще и сопровождается меньшим количеством брака. Хотя для передовых вычислений вроде ИИ используются большие и мощные чипы вроде AMD Instinct MI300 и NVIDIA H100, которые выпускаются по самым передовым техпроцессам, но всё равно эти сферы не обходятся без более компактных и простых чипов, обеспечивающие меньший уровень производительности, но при этом обладающие значительно более высокими показателями энергоэффективности. Исходя из этого производители чипов по-прежнему предлагают своим клиентам продукты на основе недорогих зрелых технологических процессов, в которых применяются транзисторы FinFET. Например, та же компания TSMC в этом случае предлагает использовать её техпроцесс N12e.

Компании Ansys, Cadence и Synopsys сообщили, что уже внедрили поддержку технологического процесса Intel 16 в своих программных продуктах для автоматизации проектирования микросхем. Та же Cadence, например, адаптировала применение Intel 16 для проектирования компонентов PCIe 5.0, своего мультипротокольного решения 25G PHY, мультипротокольных решений для потребительских продуктов с поддержкой стандартов PCIe 3.0 и USB 3.2, для различных компонентов памяти LPDDR5/4/4X, а также интерфейсов MIPI D-PHY v1.2 для камер и цифровых дисплеев. В свою очередь Synopsys предлагает поддержку Intel 16 в составе набора инструментов Synopsys.ai с поддержкой ИИ для более быстрого внедрения чипов.

Разработчики полупроводниковых микросхем, не имеющие собственных производств, уже могут начать использовать инструменты проектирования, моделирования и проверки своих решений на основе техпроцесса Intel 16.