Nová hranice čipové technologie posouvají možnosti křemíku: TSMC oznámilo 1,3nm a 1,2nm výrobní proces

Před rokem jsme psali o představení 1,6nm a 1,4nm čipové technologie TSMC, které jsou či přesněji budou nejmodernějšími výrobními procesy pro křemíkové logické obvody, tvořící všechnu elektroniku kolem nás. Teď TSMC odhalilo příští metu: 1,3nm a 1,2nm výrobní procesy, které posunou možnosti ještě o kus dál. Na technologii TSMC přitom závisí prakticky všichni výrobci čipů a inovace, které od nich v následující dekádě uvidíme.

Co přijde po 1,4nm technologii?

Pro připomenutí – v prosinci TSMC rozjelo 2nm proces značený N2 (je asi dobré připomenout, že nejen u Intelu a Samsungu, ale i u TSMC jsou „nanometrová čísla“ arbitrární a nejsou přímo odvozená od fyzických rozměrů struktur). Ten je úplně novou generací vůči 3nm procesu a nyní aktuální technologií firmy, byť zatím ještě čekáme na to, než se nějaké čipy využívající ji objeví v prodeji.

Po 2nm procesu bude následující novou generací 1,4nm proces značený A14 (jako 14 ångströmů, neboli 1,4 nm). Separátně TSMC chystá proces označený jako 1,6nm (A16), který ale je derivátem 2nm procesu – jeho zlepšení spočívají v aplikaci technologie Super Power Rail (obecně též označované Backside Power Delivery). Tyto technologie byly oznámené již loni, psali jsme o nich zde:

Přečtěte si také:

Nejdůležitější technologie, na nichž budou stát budoucí čipy: 2nm, 1,6nm a 1,4nm procesy TSMC představeny

1,3nm proces (A13)

Nyní k nim TSMC oznámilo další následující generaci, kterou bude 1,3nm proces A13. Ten nicméně není úplně novou generací, ale jen evolučním vylepšením či optimalizací A14 – stále by mělo jít o rodinu 1,4nm technologie. Podle TSMC bude A13 zahrnovat zejména „optické zmenšení“ struktur na zhruba 97% fyzické velikosti proti procesu A14.

Nicméně nepůjde o jediný faktor, ve hře budou i další úpravy. Technologie bude ale elektricky kompatibilní a bude mít stejná „pravidla“ návrhu, takže portování čipů či vyvinutých IP by mělo vyžadovat jen malé zásahy a ne úplně nový návrh.

Čipy vyráběné 1,3nm procesem budou mít o něco menší plochu, takže by se o něco zlepšila cena jednoho kusu, pokud by se nezvýšil počet tranzistorů. TSMC uvádí, že hustota tranzistorů stoupne až o 6 % (což není totéž co o 6 % menší plocha, redukce plochy by vycházela na 5,7 %, plus minus). Zatím nebylo sděleno, jaká se dají očekávat zlepšení výkonu či spotřeby.

Výroba by měla být spuštěna v roce 2029, tedy zhruba o rok později proti 1,4nm procesu (2028). Dostupnost čipů například od Applu, AMD nebo Intelu na trhu ale typicky nastane až o něco později, může to tedy být až v roce 2030. Toto je alespoň plán, samozřejmě nelze vyloučit, že dojde k nějakým zpožděním, protože jde o extrémně náročné technologie a TSMC je v nich průkopníkem, který je z celého průmyslu nejdál.

1,2nm proces (A12)

TSMC také oznámila 1,2nm proces značený A12 (což by opět implikovalo 12 ångströmů, čili 1,2 nm). Ani tato technologie ale ještě není kompletní novou generací následující po 1,4nm procesu – ta tím pádem nejspíš dostane označení A10 (1nm), zatím ale nebyla oznámena.

Proces A12 bude stále patřit do 1,4nm rodiny a stejně jako A13 jde o její vylepšení – v tomto případě bude přínos proti A14 spočívat v nasazení technologie Super Power Rail (Backside Power Delivery). Proces A12 bude tedy vůči A14 tím, čím je proces A16 vůči procesu N2 – speciální úpravou, kterou asi využijí zejména HPC produkty.

Využití Backside Power Delivery by mělo zejména zvýšit hustotu tranzistorů díky tomu, že se napájecí vodiče přesunou do separátních kovových vrstev. Nevýhodou naopak bude vyšší složitost postupu a vyšší výrobní cena čipu. Vedle hustoty tranzistorů by se měla zlepšit také spotřeba a výkon (proces A12 by měl dosahovat vyšších frekvencí). TSMC ale zatím veřejně nesděluje žádná konkrétní čísla, která by se dala očekávat.

Proces A12 by měl také jít do sériové výroby v roce 2029 opět s tím, že komerční dostupnost následných produktů (jako jsou třeba AI GPU) asi zabere řadu měsíců až rok navíc. Proces A12 asi bude používán menším okruhem produktů, zatímco většina zákazníků bude spoléhat na standardní technologie A14 a A13 či skočí rovnou na „next-gen“ A10. Podle neoficiálních zpráv bude proces A16 s technologií Backside Power Delivery využívat jenom Nvidia pro výpočetní GPU (akcelerátory AI) a je možné, že A12 bude také omezen jen na podobný okruh produktů, byť to už může být s více různými klienty.

Přečtěte si také:

GPU generace Feynman od Nvidie budou používat 1,6nm technologii TSMC. Exkluzivně?

Zajímavé je, že TSMC u žádného z těchto procesů neplánuje využití technologie High-NA EUV (o co jde, jsme probírali v tomto článku). Minimálně zatím tedy firma chce tyto technologie realizovat stále ještě za použití dnešních EUV strojů. To na jednu stranu zjednoduší a zlevní vývoj a výrobu, ale pokud by se ukázalo, že si firma s tímto záměrem ukousla příliš velké sousto, může to vést k tomu, že technologie nesplní plánované parametry nebo bude provázena problémy podobně jako kdysi 10nm proces Intelu. Intel mimochodem plánuje High-NA použít počínaje svým 1,4nm procesem (Intel 14A).

N2U a N2X: Víc výkonu v rámci generace 2nm čipů

Kromě těchto budoucích technologií také TSMC oznámilo novinky, které jsou bližší – vylepšené verze 2nm procesu N2. Firma nově oznámila proces N2U, který zahrnuje různé optimalizace kombinující úpravy jak na úrovni technologie, tak na úrovni návrhu čipu. Jejich sladěním dohromady má získat až 3–4% zlepšení výkonu (zvýšení frekvence při určité úrovni spotřeby) či o 8–10 % nižší spotřebu při stejné frekvenci proti procesu N2P. Poznámka: toto zdaleka nemusí znamenat, že se o 3–4 % zvýší i absolutní frekvenční maximum, protože srovnání jsou obvykle odvozena od nižšího bodu na křivce taktů a napětí. Také hustota tranzistorů se má zlepšit, o 2–3 %.

Tento proces by měl být k dispozici v roce 2028, kdy se má rozjet sériová výroba. Vhodný by měl být jak pro výkonná GPU a procesory, tak pro mobilní SoC, takže by ho mohly používat například generace čipů v telefonech předcházející skoku na 1,4nm proces. Je možné, že tuto technologii využije i třeba AMD, Intel a Nvidia pro některé z budoucích procesorů a GPU pro osobní počítače.

TSMC má paralelně v plánu ještě proces N2X, který by měl být ještě víc optimalizovaný na vysoký výkon zejména pro HPC produkty jako jsou AI GPU. Ten by měl dosáhnout až o 10 % lepší výkon proti N2P, nebo alternativně nižší spotřebu při stejné frekvenci. N2X by mohl mít podobné aplikace jako A16, ale s tím, že nepoužívá komplikovanou technologii Backside Power Delivery, takže bude alternativou pro opatrnější klienty. Oba procesy mají odstartovat výrobu v roce 2027.

Zdroj: Tom’s Hardware