Před nedávnem jsme měli příležitost psát o nové vylepšené verzi 10nm procesu SuperFin o Intelu (která zřejmě konečně naplní potenciál této technologie, uvidíme brzy po vydání procesorů Tiger Lake). Ovšem ta se nestala ve vakuu. Tchajwanské TSMC, který je nyní vývoji pokročilých křemíkových procesů lídrem, letos rozjelo o generaci novější 5nm proces a má nakročeno i do toho 3nm.
TSMC teď oznámilo k 3nm procesu bližší podrobnosti, podle nichž by mohlo jít opět o hodně dobrou technologii. Navíc by mohla být odstupná už za dva roky. Je tu šance, že bude možná i dřív než 7nm proces Intelu, na němž nedávno byly ohlášeny problémy a zpoždění.
N3: 3nm proces TSMC, zatím pořád s FinFETy
Stejně jako 5nm proces je N3 proces používající EUV, varianta bez něj už nebude (asi by ani nebyla možná). TSMC naváže na předchozí technologii a použije pořád FinFETovou strukturu 3D tranzistorů, nebude tedy nasazen nový typ tranzistorů jako jsou nanodrátky/nanodestičky, tzv. GAAFET. FinFETy se údajně podařilo pro tuto technologii vylepšit na dostatečně vysoký výkon, aby nebylo nutné strukturu ještě vyměnit.
Samsung na svém 3nm procesu (3GAE) chce GAAFETy (označené MBCFET) nasadit, takže by mohl teoreticky získat nad TSMC výhodu. Rozhodující ale bude také výtěžnost, cena a reálné výsledky (a také termín, v jakém se technologii povede nasadit), takže TSMC si může udržet pozici, i když bude mít ještě starší typ tranzistoru. Podobně to dopadlo na 7nm procesu, kdy Samsung nasadil EUV od začátku, zatímco TSMC ne a většina výroby úspěšně běží na první generaci procesu s běžnou optickou litografií, kdežto Samsung měl problémy s výtěžností.
Tip: Samsung odhaluje 3nm výrobní proces s novými tranzistory MBCFET. Už má funkční vzorky
o 10–15 % lepší výkon/spotřeba nižší o 25–30 %
Proces N3 má proti 5nm procesu údajně přinést podobné přínosy jako 5nm (N5) proti 7nm (N7). TSMC uvádí, že N5 má proti N7 zlepšit výkon až o 15 %, případně při stejném výkonu snížit spotřebu až o 30 %. Hustota tranzistoru u něj narostla 1,8× (stejný čip může zabírat jen 55 % plochy).
3nm proces je srovnávaný už s 5nm (ne tedy s dnešním 7nm) a má nad rámec předchozího zlepšení údajně přinést růst výkonu o 10–15 %, nebo při zachování výkonu o 25–30 % nižší spotřebu. Pokud bychom si vynásobili zisky 5nm a 3nm procesu, pak by proces N3 mohl mít až o 32,5 % lepší výkon než N7 (v praxi to asi ale bude komplikovanější). Zlepšení hustoty má být 1,7×, tj. dříve 5nm čip by se zmenšil na 58 % plochy.
Zmenšení čipů zkomplikuje SRAM
S hustotou tranzistorů to nicméně bude problematické. Zatímco logické obvody mají dosáhnout slušného zmenšení, buňky paměti SRAM ne, zde má údajně být dosaženo jen asi 1,25× zlepšení (redukce plochy na 80 %) a u analogových obvodů jen pouhé 1,1× zlepšení hustoty. Nevíme ještě, zda hustotu SRAM možná zlepší případná vylepšená půlgenerace, ale toto by omezilo schopnost zmenšit čipy jako CPU a GPU, v nichž zabírá SRAM docela velké procento – v různých cache, ale i dalších bufferech a registrech. Například v 7nm čipletech pro Ryzeny/Epycy od AMD padla na SRAM jen v L2 a L3 cache výrazně nadpoloviční část, nemluvě o ostatních strukturách rozesetých po jádrech.
Toto může způsobit, že na 3nm procesu nebude možné zvýšit tolik počet jader v CPU nebo počet jednotek v GPU. Spotřeba jim klesne, takže bude možné část výkonu nahnat zvýšením frekvence, ale škálování nebude tak dobré (nebo budou muset výrobci skousnout větší a dražší čipy, čili nižší marže).
Nasazení za dva roky (a něco?)
Kdy budou 3nm čipy realita? TSMC uvádí, že tzv. risk production začne během roku 2021. To ještě nebude regulérní masová výroba, ale jakási zkušební fáze pro firmy, které chtějí začít experimentovat co nejdříve. Sériová výroba má ovšem nastat v druhé polovině roku 2022. Tedy asi dva a půl roku po startu výroby na 3 nm. Výroba až v druhé polovině roku je pozdější, než u 7nm a 5nm, které začínaly už kolem dubna.
To asi znamená, že se nepovede ve stejném roce uvést telefony s procesory na tomto čerstvém procesu, jak se to dařilo třeba Applu nebo Huawei. Ale v první polovině roku 2023 už by mohly být na trhu. Zhruba ve stejné době má Intel vydat první 7nm čipy – momentálně firma uvádí, že to budou procesory pro PC (asi notebooky) a vyjít mají buď na konci roku 2022, nebo začátkem roku 2023. Na druhou stranu AMD nebo Nvidii trvá nyní výrazně déle než výrobcům čipů ARM, než na novou generaci procesu přejdou, takže třeba 3nm Ryzeny by klidně mohly nastat třeba až v roce 2024 ne-li 2025. První 5nm (architektura Zen 4) totiž zřejmě vyjdou až v roce 2022.
5nm proces TSMC je prý zvládnutý ještě lépe než 7nm
Na 7nm technologii (jejíž jeden derivát je označený jako 6nm proces) naváže před 3nm procesem nejprve ta 5nm technologie, která nyní nabíhá v továrně Fab 18. Ještě za letošek má údajně tvořit už 11 % výroby na moderních procesech – čímž se myslí procesy s FinFETy, od 16nm níž.
Nejde tedy o 11 % celé produkce firmy včetně všech starších a specializovaných procesů. 5nm wafery by prý měly tvořit asi čtvrtinový objem (24 %) proti objemu 7nm výroby. Fab 18 má údajně být schopná vyrobit víc jak milion 5nm waferů za rok (přes 80 000 waferů měsíčně).
Co je zajímavé, výtěžnost je údajně již nyní relativně skvělá. Zatímco 7nm proces byl dobře zvládnutý, 5nm proti němu prý vypadá přes použití EUV ještě lépe. Vztaženo k věku výroby (tj. srovnání mezi stejným měsícem obou procesů) je údajně 5nm proces s výtěžnosti o kvartál napřed před tím, jakou výtěžnost měl ve stejné době svého cyklu 7nm proces (a lepší je v tomto i proti 10nm procesu).
Galerie: 3nm, 4nm a 5nm proces TSMC
Zdroje: AnandTech (1, 2, 3), Andreas Schilling (Twitter)
