TSMC odhalilo 3nm proces. Nemá tranzistory GAAFET, přesto o 32 % lepší výkon než 7nm

7

TSMC odhalilo svůj 3nm proces. Přestože stále zůstává u FinFETů a nepoužije jako konkurence nový typ tranzistorů, přinese stejné zlepšení jako 5nm výroba.

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.

Přínosy plánované u 3nm výrobního procesu proti 5nm technologii Zdroj: Andreas Schilling/Twitter

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.

Škálování hustoty tranzistorů u logických obvodů na nových procesech TSMC, s knihovnami pro vysoký výkon Zdroj: Andreas Schilling/Twitter
Škálování plochy paměti SRAM na nových procesech TSMC, s knihovnami pro vysoký výkon či proud Zdroj: Andreas Schilling/Twitter

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.

Podíl 5nm procesu mezi pokročilými technologiemi TSMC v roce 2021 Zdroj: AnandTech

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).

Srovnání výtěžnosti procesů N7 a N5 během jejich vývoje a nasazení Zdroj: Andreas Schilling/Twitter

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)

TSMC odhalilo 3nm proces. Nemá tranzistory GAAFET, přesto o 32 % lepší výkon než 7nm
Ohodnoťte tento článek!
4.8 (96.67%) 12 hlas/ů

7 KOMENTÁŘE

      • Zen4 je komplet 5nm. 2021 uvedeni min.pro servery.
        Zen3 refresh, pokud vyjde, je stale 7nm.
        Technogicky, pokud vyjde Intel se 7nm az koncem 2022/zacatkem 2023, tak bude samozrejme v dalsi nevyhode. S jeho ted fixnutym 10nm nema nejspis dost kapacit, proto 2021 budoy pokracovat se 14nm produkty porad ve velkem.

        • O intel nemaj strach ten ma u TSMC vlasny 6nm proces ma už zazmluvneny 5nm a dokonca už aj 4nm proces. Intelu sa vlasny 7nm proces drobatko posunul cca na 2026 🙂 Dokonca zaplatil 2 miliardy dolarov TSMC aby fabriku kde budu vyrabať čipi pre intel postavili v USA. TSMC prezentovalo že ma odladeny nielen 7nm proces ale aj 5nm 4nm 3nm. Intel ma problemy s 10nm, 7nm je vo hviezdach, Samsung ma problemi s 5nm vyťažnosťou, 4nm zrušil a 3 testuje a ladi.
          Jednoznačny leader je TSMC.

          • Intel nebude vyrabet ve velkem u TSMC CPU, alespon ne v dohledne dobe. Jedine co si objednal jsou waffery pro svoje portfolio GK. TSMC nema jednak tolik kapacit, aniz by brutalne nezvysila pocet tovaren a jednak by Intelu klesly marze, coz by se velmi negativne podepsalo na jejim celkovem obratu/zisku. Intel potrebuje vlastni vyrobni proces(y)

    • Apple ma predstih pred ostatnimi 1 rok, ten už vyraba 5nm čipi 3 mesiace u TSMC, ostatnym zaujemcom sa spristupni 5nm proces na buduci rok v lete. Tak že čipi na 5nm procese u inej firmi ako je Apple sa da očakavať začiatkom roka 2022, kvoli tomu že vyroba trva 6 mesiacov. Keď sa pozrieš do zoznamu TSMC kto si u nich čipi dava vyrabať asi budeš dosť prekvapeny 🙂