Компания Samsung разрабатывает транзисторы GAA (Gate-all-Around) нового поколения, которые будут применяться в чипах, производимых по её 2-нм техпроцессе. Компания планирует внедрить технологию в следующем году. Об этом сообщает южнокорейское издание Business Korea, ссылающееся на свои источники в отрасли.

Источник изображений: Samsung

Со ссылкой на свои источники издание также отмечает, что Samsung собирается представить доклад о третьем поколении технологии GAA для своего 2-нм техпроцесса (SF2) в рамках конференции по вопросам полупроводниковых технологий VLSI Symposium 2024, которая будет проходить на Гавайях с 16 по 20 июня.

Технология GAA, которую первой в мире поставила на коммерческие рельсы именно компания Samsung, это технология производства транзисторов с затвором, который полностью окружает канал. Поскольку с каждым переходом на новый техпроцесс транзисторы в составе полупроводника становятся меньше, контролировать движение тока в них становится всё сложнее. Однако GAA предлагает совершенно новую архитектуру транзистора, которая позволяет повысить его энергоэффективность.

В настоящий момент Samsung является единственной компанией в мире, которая может массово применять технологию GAA-транзисторов для производства чипов. Она приступила к исследованию GAA ещё в начале 2000-х годов и впервые внедрила её для своего 3-нм техпроцесса в 2022 году. Однако из-за мировой экономической нестабильности, высокой стоимости производства, а также ограниченной клиентской базы в таких секторах, как мобильные устройства, спрос на 3-нм техпроцесс Samsung оказался несущественным. Как результат, лидерство в производстве 3-нм чипов перешло к тайваньскому контрактному производителю чипов TSMC, который использует более традиционные (и дешёвые) методы производства транзисторов.

В ответ Samsung готовит второе поколение транзисторов GAA для 3-нм техпроцесса, которое она собирается представить в течение этого года. А в следующем году компания представит третье поколение GAA для 2-нм техпроцесса, чтобы закрепить лидерство в этом направлении. TSMC и Intel тоже планируют в конечном итоге перейти на использование технологии GAA с переходом на 2-нм техпроцесс производства, но случится это позже, чем у Samsung. Таким образом, у южнокорейской компании будет некое преимущество перед конкурентами. По крайней мере в теории.

Официальное название технологии GAA от Samsung — MBCFET. Первое поколение GAA для техпроцесса 3 нм по сравнению с предыдущим поколением FinFET-транзисторов Samsung обеспечило 23-процентную прибавку в производительности, 16-процентное увеличение плотности и 45-процентное повышение энергоэффективности. Второе поколение GAA для 3 нм техпроцесса, как ожидается, обеспечит 30-процентную прибавку в производительности, 35-процентное повышение плотности, а также 50-процентное снижение в энергопотреблении. Что касается третьего поколения MBCFET, то для него также ожидается значительная прибавка в производительности с более чем 50-процентным повышением энергоэффективности по сравнению с предыдущим поколением технологии.

Samsung решила назвать обновлённую версию 3-нм технологии производства чипов «2 нм техпроцессом», сообщает ComputerBase со ссылкой на сообщения корейских СМИ. Меньшее число формально повышает конкурентоспособность компании по отношению к её главным соперникам в лице TSMC и Intel.

Источник изображения: Babak Habibi / unsplash.com

В полупроводниковой отрасли актуален девиз «чем меньше, тем лучше». На фоне бума технологий искусственного интеллекта вопрос разработки более эффективных и современных вычислительных компонентов оказывается как никогда актуальным: каждый причастный к отрасли игрок стремится на этом заработать, и Samsung не исключение. Дорожная карта Samsung в сфере полупроводникового производства была утверждена и доведена до сведения общественности. Испытание первого 3-нм техпроцесса GAA стартовало в 2022 году. Поначалу выход годной продукции был крайне низким, но компании удалось стабилизировать его на уровне 60 %. В этом году Samsung рассчитывает начать работу с обновлённой версией этой технологии, ранее получившей название SF3.

Дорожная карта полупроводникового производства Samsung до 2027 года. Источник изображения: twitter.com/Redfire75369

Обновлённый техпроцесс теперь будет обозначаться как «2-нм продукт» — во второй половине года производство расширится, как ранее планировалось в отношении второго поколения технологии GAA, передают корейские СМИ, но официального подтверждения информации ещё не последовало. В этой связи сразу возникает множество вопросов. Недавно стало известно, что Samsung поможет Arm в оптимизации процессоров под технологию 2 нм, и теперь нет ясности, имеется в виду теперешняя SF3 или «честные» 2 нм. Развёртывание технологии SF2 ранее намечалось на 2025 год — ждёт ли её переименование? За техпроцессом SF2 должен был следовать SF1.4, а значит, SF2 может превратиться в SF1.8.

Тем временем Intel уже готовится к выводу на рынок собственного техпроцесса класса 2 нм (Intel 20A) — возможно, поэтому Samsung вынуждена активизироваться. В условиях жёсткой конкуренции полупроводниковые подрядчики должны демонстрировать потенциальным клиентам, что у них есть такие же или более совершенные технологии, как у конкурентов — независимо от того, чем они на самом деле являются. Ожидаемая двухлетняя фора Samsung как первой компании, совершившей переход на GAA-транзисторы и техпроцесс 3 нм, на деле не дала корейской компании ощутимых преимуществ. Напротив, TSMC лишь укрепила своё лидерство. А следующей на очереди может стать Intel, которая уже к 2030 надеется стать вторым в мире полупроводниковым подрядчиком, сместив Samsung, и корейской компании приходится реагировать.

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.

В минувшую пятницу США ввели новые правила экспортного контроля в отношении Китая, кроме прочего запретив продавать компаниям из Поднебесной программное обеспечение, которое может служить для разработки передовых чипов (с транзисторами GAAFET). Очевидно, что это негативно отразится на китайской полупроводниковой индустрии и аналитическое агентство TrendForce объяснило почему.

Источник изображения: Denny Müller/unsplash.com

По оценкам агентства, глобальный рынок программного обеспечения для автоматизации электронного проектирования (EDA) с 2020 по 2024 годы вырастет с $8,1 млрд до $13,6 млрд, годовой прирост составит 13,8 %. Важно то, что на рынке программного обеспечения для проектирования современных чипов действуют всего несколько крупных игроков, включая Synopsys, Cadence и Siemens. По данным аналитиков, в 2021 году на них приходилось 32 %, 30 % и 13 % рынка соответственно — всего 75 %.

Для оценки эффекта, который способны оказать санкции на китайскую индустрию в целом, достаточно вспомнить, что в 2019 году США внесли в чёрный список принадлежащую Huawei полупроводниковую компанию HiSilicon, в частности, санкции затронули работу китайской компании с американскими Synopsys и Cadence. Хотя в целом индустрия практически не пострадала, бизнесу Huawei в соответствующей сфере, по данным TrendForce, был нанесён значительный ущерб.

Источник изображения: TrendForce

Лидером в разработке китайских EDA-решений является компания Empyrean Technology, но её влияние и доходы пока крайне невелики в сравнении с американскими разработчиками EDA. Если китайский софт для разработки аналоговых микросхем и решений для панелей дисплеев уже достаточно зрелые, то, например, программное обеспечение для разработки цифровых чипов во многом отстаёт от разработок американских конкурентов и пока не готово для разработки решений нового поколения.

Если даже Китай имеет большой запас лицензий на американское программное обеспечение, его всё равно придётся подключать к Сети для обновлений и их из-за санкций предоставлено уже не будет. Другими словами, весь процесс будет контролировать и ограничиваться из США — санкционный опыт России показал, что западные компании способны лишать клиентов доступа даже к уже оплаченным сервисам и ПО.

Источник изображения: TrendForce

Хотя в краткосрочной перспективе китайским разработчикам, как ожидается, не понадобится софт для разработки чипов с транзисторами GAAFET, он необходим для разработки чипов в соответствии с 3-нм техпроцессами в ближайшие 3-5 лет. Без американских программных инструментов у китайских разработчиков обязательно возникнут значительные проблемы с созданием современных решений. Более того, соответствующее ПО потребуется и китайским контрактным производителям чипов, поэтому ограничения, налагаемые США на продажу софта и оборудования для производства, могут оказать долговременный негативный эффект на китайскую полупроводниковую индустрию.

Интернет-ресурс Protocol со ссылкой на собственные источники докладывает, что Администрация Байдена планирует заблокировать экспорт в Китай программного обеспечения для проектирования чипов на транзисторах нового поколения — с каналами, полностью окружёнными затвором или Gate All Around (GAA). У США вызывает опасение то обстоятельство, что технология GAA позволит Китаю создать чип искусственного интеллекта выдающейся производительности.

Первой транзисторы со структурой GAA совсем недавно начала выпускать компания Samsung в виде 3-нм продукции. Компания TSMC начнёт внедрять аналогичные структуры, начиная с 2-нм техпроцесса. Intel тоже готова в будущем примерить эту технологию (в её терминологии — RibbonFET) на техпроцессах Intel 20A и Intel 18A. Китайцы пока не были замечены в намерении осваивать технологию GAA, но со временем это наверняка бы произошло.

В общем случае GAA-транзисторы имеют каналы в виде наностраниц или нанопроводов, которые окружены затвором со всех четырёх сторон, что снижает токи утечки и повышает производительность. Также технология позволяет гибко настраивать характеристики транзисторов, просто изменяя размеры каналов и их количество. Для транзисторов с небольшими по сечению каналами, что происходит при снижении технологических норм производства ниже определённого уровня (2–3 нм), переход на круговой затвор представляется вполне естественным и экономически оправданным шагом.

Источник изображения: Samsung

США уже запретили поставки в Китай литографического оборудования поколения EUV, что само по себе затруднит китайцам освоение технологических норм производства менее 7 нм. Предложение запретить поставлять в Китай программное обеспечение для проектирования чипов с транзисторами GAA станет страховкой от того, что китайские передовые проекты вообще будут разрабатываться, например, для производства на линиях TSMC, чего нельзя исключать невзирая на контроль и санкции.

Пока Администрация Байдена поручила профильным министерствам только предварительно проработать вопрос блокировки поставок в Китай программных инструментов в части проектирования GAA-транзисторов. Однако власти США полны решимости пойти на такой шаг и могут объявить о своём решении в ближайшие недели или даже дни, считает источник.

Производителей инструментов проектирования — компании Cadence, Synopsys и других, подобное положение дел вряд ли обрадует. Они зарабатывают на китайских проектировщиках до 20 % своей годовой выручки и ограничивать продажу в Китай программ для автоматического проектирования чипов — это терять в доходах и прибыли. Впрочем, их согласие будут спрашивать в последнюю очередь. В Китае это понимают и потихоньку создают собственные инструменты проектирования.

Компания Samsung провела церемонию, посвящённую началу поставок первой партии своих 3-нм чипов, выполненных с использованием транзисторов GAA. Мероприятие прошло на площадке, где размещается производственная линия V1 в кампусе Хвасон в Южной Корее.

Источник изображения: Sammobile

Событие посетили порядка 100 человек, включая высших чинов Министерства торговли, промышленности и энергетики Южной Кореи и всех ключевых сотрудников Samsung, внёсших вклад в разработку и организацию массового производства чипов нового поколения. В ходе мероприятия Samsung огласила амбициозную цель «двигаться вперёд с помощью инновационных технологий, чтобы стать лучшей в мире».

По словам представителей Samsung Foundry, технологические препятствия при разработке 3-нм техпроцесса были устранены с помощью сотрудничества как с другими подразделениями Samsung, так и производственными и инфраструктурными партнёрами компании.

3-нм чипы Samsung используют технологию транзисторов GAA (Gate All Around), обеспечивающую более эффективное энергопотребление и повышенную производительность в сравнении с уже используемой FinFET. Новое решение будет применяться для выпуска процессоров, предназначенных для серверов, дата-центров, а также передовых чипсетов для смартфонов, планшетов, носимых устройств, ноутбуков, настольных компьютеров и другой электроники.

Компания начала разработку GAA в начале 2000-х годов и впервые успешно применила её при производстве 3-нм чипов в 2017 году. После нескольких лет исследований и тестов началось производство новых решений. В частности, 3-нм чипы будут поставляться китайской майнинговой компании.

Источник изображения: Sammobile

Ожидается, что главный конкурент Samsung на рынке контрактного производства полупроводников — компания TSMC, начнёт выпускать 3-нм чипы приблизительно в 4 квартале 2022 года. Обе будут состязаться за право получить заказы от крупных вендоров вроде AMD, Apple, MediaTek, NVIDIA и Qualcomm.