Kdysi býval špičkou ve výrobních procesech Intel, ale o tři roky opožděný 10nm proces jeho náskok ukončil a jasným lídrem těchto technologií se naopak stalo tchajwanské TSMC. A to nyní rozjíždí další velký technologický skok. Po 7nm a 5nm procesu letos konečně začne regulérní sériová výroba 3nm čipů, které by měly být opět velkým generačním upgradem. Na tomto procesu by mohl být vyráběn Zen 5 od AMD, Apple A17 a možná i procesory Intelu.
TSMC nyní oznámilo, že na 3nm procesu, který firma označuje N3, začne sériová výroba (v komerčním masovém měřítku) příští měsíc, tedy někdy během září. Na úplně přesném dni asi tolik nezáleží, protože od začátku výroby každopádně uplyne ještě řada měsíců, než se nějaký 3nm křemík objeví i ve skutečně prodávaném produktu, jako obvykle.
Zářijový start výroby je poněkud později, než bylo kdysi plánováno. Dokonce i TSMC u 3nm technologie již narazilo na nějaké problémy a stejně tak nebylo schopné zcela odolat negativním vlivům koronavirové pandemie, takže se jeho roadmapa opozdila. Pokud by tomu tak nebylo, dost pravděpodobně by letos na podzim 3nm čipy (A16) už mohly být v nových telefonech od Applu, který nejnovější technologie TSMC tradičně nasazoval jako první. Místo 3nm technologie ale letošní nové čipy musí používat 5nm nebo 4nm proces. Spekuluje se, že kvůli tomu Apple odložil i vydání nových architektur CPU, což způsobilo relativně malé pokroky u procesoru M2, ale ten nicméně vychází z A15, takže možná nikdy 3nm být neměl.
TSMC nyní uvádí, že ačkoliv začátek výroby bude nyní ještě před koncem třetího kvartálu, kvůli dlouhé době, po kterou na lince křemíkové wafery procházejí různými fázemi, hotový produkt začne „sjíždět z pásu“ až ke konci roku, takže z pohledu dodávky zákazníkům reálně 3nm čipy budou až věcí roku 2023. Před dvěma lety TSMC asi plánovalo rozjezd výroby dříve, snad už v červenci, což by teoreticky dovolilo vypustit produkty s 3nm čipy ještě před koncem roku.
Prezentace 3nm procesu během TSMC Technology Symposium (zdroj: AnandTech)3nm proces TSMC by měl být poslední generací, která bude používat 3D tranzistory typu FinFET, protože po něm firma na 2nm procesu nasadí tranzistory typu GAAFET. Půjde tedy o do jisté míry „labutí píseň“ a FinFETy mohou být nevýhoda proti 3nm procesu Samsungu, který již GAAFETy používá. Na druhou stranu, třeba u 7nm procesu, úspěšně rozjetého bez EUV, dokázalo TSMC, že se mu tento konzervativní přístup může vyplatit.
Tip: 2nm čipy od TSMC asi uvidíme až v roce 2026. Možná, že Intel bude opět napřed
Zlepšení spotřeby a výkonu, ale problémy s hustotou tranzistorů
Podle oficiálních údajů by 3nm proces N3 měl přinést nárůst frekvencí čipů až o 10–15 % při stejné spotřebě proti první generaci 5nm procesu „N5“ (poznámka: toto ale nemusí mluvit o absolutním frekvenčním stropu, může jít o srovnání někde níže na křivce napětí a taktu). Pokud by se srovnávalo na stejné frekvenci, pak má 3nm proces dosahovat až o 25–30 % nižší spotřeby.
Poněkud slabší by u této technologie mohlo být škálování velikosti (plochy) obvodů, což je důležitý faktor zlevňující nové procesy. Podle TSMC má hustota tranzistorů vzrůst až o 60 % – takže čipy by byly o 37,5 % menší. Jenže toto platí jen pro logické obvody. Hustota buněk SRAM (tedy pamětí cache, registrů a podobných bloků) se má zlepšit jen 1,2× (takže redukce plochy jen o 16,7 %). A analogové obvody, které jsou potřeba například v PHY řadičů pamětí, PCIe a podobných blocích, mají mít hustotu zlepšenou jen o 10 % (takže se plocha zmenší jen o 9,1 %). Toto výrobci procesorů či GPU mohou obcházet použitím čipletů, kdy řadiče I/O a pamětí vyrobí separátně na starším procesu (jako nyní AMD u procesorů), ale čiplety spolu pořád musí nějak komunikovat, takže toto také není zadarmo.
Malé pokroky v hustotě tranzistorů prodraží výrobu produktů, což může být problém pro Nvidii a AMD u budoucích generací GPU a procesorů používajících 3nm proces, které vyjdou zřejmě v roce 2024. Také se občas objevují pochybnosti o tom, zda tento proces nepřinese v praxi regresi ve výkonu (frekvencích) proti 4nm procesu (jenž je vyladěnou verzí 5nm technologie). Nicméně redukce spotřeby čipů by měla být reálná a toto bude nejdůležitější faktor pro aplikace, jako jsou mobilní SoC pro telefony. V nich by tedy 3nm proces měl mít hodně důležitou úlohu.
Roadmapa CPU architektur AMD dle prezentace na Financial Analyst Day 2022. Firma plánuje na 3nm procesu vyrábět některé varianty procesorů s architekturou Zen 5, které na trh přijdou asi v roce 2024 (zdroj: AMD)Tip: AMD prozradilo roadmapy procesorů. Od základu nová architektura Zen 5 v roce 2024
TSMC plánuje vylepšenou verzi procesu N3, která by měla parametry vylepšit, ale současně prý také o něco sníží výrobní náklady (které u těchto pokročilých procesů letí raketově nahoru a je to docela problém). Tato verze bude mít označení N3E a má pokrok ve frekvencích proti procesu N5 zvětšit až na 18 %, případně se při stejných frekvencích má spotřeba snížit až o 34 %. Hustota logických obvodů se trošku zlepší, místo 1,6násobku už u N3E má být dosažený 1,7násobek (zmenšení plochy čipu o 41 %).
Proces N3E by mohl začít vyrábět zhruba rok po první generaci 3nm technologie N3, jeho výhody tedy bude moci využít až další vlna čipů. Později by měly přibýt také další výkonnější varianty N3P a N3X.
Zdroj: Tom's Hardware
