P 2nm čipi so postali nova velika tarča iz polprevodniške industrije. Ne govorimo več o oddaljenem konceptu, temveč o tehnologiji, ki začenja vstopati v resnično proizvodnjo in ki bo določila pot za naslednje generacije CPU-jev, GPU-jev in SoC-jev za potrošnike, podatkovne centre in umetno inteligenco.
Hkrati Prehod na 2 nm se izkazuje za vse prej kot preprost.Naraščajoči stroški, ozka grla pri naprednem pakiranju, dvomi o izkoristku na rezino in ostra konkurenca med TSMC, Intelom in Samsungom, medtem ko se igralci, kot so Apple, NVIDIA, AMD, Qualcomm, Fujitsu ali Broadcom, pozicionirajo tako, da to novo litografijo izkoristijo na svoj način.
Kaj danes v resnici pomeni 2nm čip?
Najprej je treba pojasniti, da na tej točki Številka "2 nm" je bolj marketinška oznaka kot natančna fizikalna meritev.Ne opisuje več natančno dolžine vrat tranzistorjev, razdalje med njimi ali drugih specifičnih geometrijskih parametrov. Vsaka livarna (TSMC, Intel, Samsung itd.) definira svoja vozlišča, kot se ji zdi primerno, in združuje različne interne metrike, kar močno otežuje neposredno primerjavo med procesi.
Kljub temu se izraz še vedno uporablja, ker označuje izjemno napredna kategorija integracijeTo je povezano z večjo gostoto tranzistorjev, boljšo zmogljivostjo in manjšo porabo energije na operacijo v primerjavi s prejšnjimi vozlišči, kot so 5 nm, 4 nm ali 3 nm. Z drugimi besedami, čeprav "nanometri" niso več dobesedni, služijo za označevanje, kje se vsako vozlišče nahaja na tehnološki lestvici.
V praksi prehod s procesov, kot sta 3 nm ali 4 nm, na 2 nm vključuje pridobiti hitrejše ali učinkovitejše čipe oziroma boljše ravnovesje med obemaTo pomeni več jeder, več predpomnilnika, več enot umetne inteligence in višje frekvence v isti velikosti čipa oziroma ohranjanje podobne zmogljivosti ob hkratnem znatnem zmanjšanju porabe energije.
Zato 2 nm litografija ni le stvar trženja: Je temelj za naslednji val visokozmogljivih izdelkovOd procesorjev za namizne in prenosne računalnike do pospeševalnikov umetne inteligence in superračunalnikov, vključno z vrhunskimi mobilnimi sistemi na čipu.
Od FinFET-a do GAAFET/Nanosheet: generacijski premik tranzistorjev
Eden glavnih preskokov, povezanih z 2 nm, ni le "nominalna" velikost vozlišča, temveč tudi vrsta tranzistorja. Industrija se odmika od tradicionalnih FinFET-ov, ki so bili osnova od 22 nm/16 nm, do prehoda na arhitekture tipa GAAFET (Gate-All-Around), znane tudi kot nanosloj ali nanolaminat.
Pri FinFET-ih vrata delno obdajajo tranzistorski kanal, medtem ko pri GAAFET-ih Vrata popolnoma obkrožajo kanalponuja veliko natančnejši nadzor nad tokom. To omogoča manjše uhajanje, boljše odvajanje toplote in nadaljnje skaliranje napetosti in frekvence, tudi ko se gostota tranzistorjev dramatično poveča.
TSMC je na primer svoj pristop poimenoval kot N2 Nanosloj s tehnologijo NanoflexTa strategija omogoča kombiniranje različnih višin nanoslojev in gostot logičnih celic na zelo majhnem območju, s čimer se zasnova prilagodi glede na del čipa: nekatera območja so optimizirana za maksimalno zmogljivost, druga pa so zasnovana za energetsko učinkovitost.
Samsung že nekaj časa raziskuje različice GAAFET-a in Razmišljal je celo o alternativnih materialih, kot je molibden. za izboljšanje mobilnosti elektronov in boljše reševanje toplotnih težav, ki nastanejo z nadaljnjo miniaturizacijo. Intel pa govori o svojih tranzistorjih GAA, ki temeljijo na nanoslistih v vozlišča, kot sta 20A in 18Akjer je ta arhitektura kombinirana tudi s sistemi za napajanje na zadnji strani čipa.
Katere izboljšave obljubljajo 2nm vozlišča?
Proizvajalci običajno podajo številke s primerjavo vozlišča z njegovim neposrednim predhodnikom. V primeru 2 nm, Številke, o katerih se razpravlja, so zelo donosne.Vendar so vedno odvisne od specifične zasnove čipa in vrste delovne obremenitve:
Po besedah Abhijeeta Chakrabortyja, programskega arhitekta pri Synopsysu, lahko stranka, ki prehaja s 3 nm na 2 nm, pričakuje približno:
- Med 10 % in 15 % večja zmogljivost z isto močjo.
- Med 20 % in 30 % manjša poraba energije z enakovredno zmogljivostjo.
- Približno 15 % večja gostota tranzistorjev na istem območju.
TSMC za svoje vozlišče N2 ponuja podobne številke v primerjavi z N3E: do 15 % večja zmogljivost ali 30 % manjša porabaZ gostoto tranzistorjev, pomnoženo z 1,15, zahvaljujoč nanolistnim tranzistorjem Nanoflex, je prav ta kombinacija zmogljivosti in učinkovitosti tisto, kar velikane, kot sta Apple in NVIDIA, žene k tako dolgi rezervaciji zmogljivosti na tem vozlišču.
Ben Sell, podpredsednik za tehnološki razvoj, je v imenu Intela poudaril, da v 2nm ekvivalentnih vozliščih, kot je 18A, Prednost ni le doseganje višjih frekvenctemveč izboljšanje zmogljivosti na vat in zmanjšanje površine, potrebne za določeno raven računalniške moči. S tržnega vidika se to prevede v večjo moč v istem ohišju ali veliko večjo učinkovitost ob hkratnem ohranjanju zmogljivosti.
V vsakem primeru je preskok 2-3 "nanometrov trženja" v praksi opazen: Razlika med 5 nm in 3 nm je bila znatna Za proizvajalce, kot so AMD, NVIDIA, Qualcomm ali Apple, prehod na 2 nm sledi isti poti, čeprav z veliko višjimi proizvodnimi stroški in vse večjimi tehničnimi izzivi.
TSMC: vodilni, ki določa tempo za 2nm
TSMC je že leta glavni "senčni proizvajalec" polovice tehnološkega sektorjaNjihove tovarne proizvajajo čipe za mobilne telefone, grafične kartice, procesorje za namizne in prenosne računalnike, procesorje za strežnike, konzole in še veliko več. Njihov tržni delež v napredni livarni je približno 60 %, kar jim daje jasen in prevladujoč položaj.
Podjetje je že začelo proizvodnja rezin v vozlišču N2 Ta tehnologija, ki temelji na tehnologiji nanoslojev, znanem vozlišču »2 nm«, predstavlja generacijski premik od N3E, ne le zaradi same litografije, temveč tudi zaradi preskoka s tranzistorjev FinFET na tranzistorje GAA s tehnologijo Nanoflex. Ena prvih večjih strank, ki bo izkoristila to tehnologijo, bo AMD, ki je po poročanjih že zaključil nameščanje svojih prihodnjih CCD-jev arhitekture Zen 6 na vozlišče N2, s predvideno predstavitvijo okoli leta 2026.
TSMC je za N2 zasnoval popolna družina odvodnih procesov:
- N2P, usmerjen v večjo energetsko učinkovitost.
- N2X, osredotočen na ekstremna zmogljivost za aplikacije z visokim TDP.
- A16 SPR, še naprednejše vozlišče z zadnjim napajanjem (Super Power Rail).
V primeru A16 SPR predhodni podatki kažejo do 8–10 % hitrejši od N2P pri enaki napetosti oziroma 15–20-odstotno zmanjšanje porabe ob hkratnem ohranjanju zmogljivosti. TSMC je v prihodnosti predstavil tudi svoj načrt za A14, ki se ponaša z do 1,8-krat večjo zmogljivostjo pri enaki izhodni moči in do 4,2-krat boljšo energetsko učinkovitostjo v določenih scenarijih.
Za vzdrževanje te ofenzive je TSMC namenil vsaj dve ključni tovarni (Fab 20 in Fab 22) za 2nm proizvodnjoNe gre le za nadgradnjo strojev: milijarde dolarjev je treba vložiti v še naprednejšo opremo EUV, meroslovne sisteme, nove pakirne in testne linije ter vso infrastrukturo, povezano s tako kompleksnim vozliščem.
Ozko grlo napredne embalaže: CoWoS-L in podjetje
Druga plat medalje pa je, da si stranke TSMC ne želijo več le "2nm rezine" in nič več. Povpraševanje je osredotočeno na kompleksne čipe z naprednim pakiranjem., kot je CoWoS-L, ki lahko integrira več čipov na vmesniku z ultra visoko gostoto in v mnogih primerih z zloženim pomnilnikom.
CoWoS-L omogoča namestitev več čipov (CPU, GPU, čipi predpomnilnika, HBM itd.) na silicijev vmesnik ali podoben material z izjemno goste medsebojne povezave z visoko pasovno širinoTežava je v tem, da ta vrsta embalaže prinaša dodatne izzive, kot je toplotno raztezanje: različni materiali se s temperaturo neenakomerno raztezajo, kar lahko povzroči deformacije, mehanske napetosti, mikrorazpoke ali okvare povezav.
Ocenjuje se, da NVIDIA naj bi rezervirala približno 70 % proizvodnih zmogljivosti TSMC-ja za CoWoS-L.To je privedlo do znatnega pomanjkanja teh naprednih paketov za druge stranke. Izdelki, kot so NVIDIA-ini grafični procesorji z umetno inteligenco, AMD-jevi procesorji EPYC s 3D V-Cache in prihodnji procesorji Xeon z velikimi bloki predpomnilnika, se za doseganje svojih zmogljivosti zanašajo prav na tovrstno integracijo.
To ozko grlo je že imelo vidne posledice: TSMC je bil prisiljen odložiti dobave, povezane z arhitekturo Blackwell podjetja NVIDIA.pri čemer navajajo težave z zmogljivostjo CoWoS-L in omejitve zmogljivosti. Hkrati podjetje pripravlja svoj proces A16 (okoli 1,6 nm) s Super Power Rail, za katerega je NVIDIA že navedena kot prednostna stranka.
Skratka, čeprav je 2 nm litografija privlačen naslov, Velik del vrednosti (in težav) izvira iz 2.5D in 3D embalaže.Zasnove, ki temeljijo na čipletih, zloženem predpomnilniku in skoraj računskem pomnilniku, so tisto, kar resnično maksimizira prednosti teh vozlišč, in prav tukaj mora TSMC zelo hitro povečati svojo zmogljivost.
Intel in Samsung: druga kandidata za prevlado na trgu 2nm
Medtem ko TSMC krepi svoje vodilno vlogo, Intel in Samsung vidita 2nm kot strateško priložnost ponovno pridobiti na veljavi in prepričati zunanje stranke, da je njihova tehnologija konkurenčna, ne le za njihove lastne izdelke.
Samsung preživlja težke čase: Njegovi prihodki od polprevodnikov so se leta 2023 zmanjšali za približno 37,5 %. Po podatkih Gartnerja je bilo podjetje prisiljeno prilagoditi svoje načrte širitve in delovno silo v primerjavi z letom 2022. Kljub temu ohranja svoj cilj, da v petih letih prehiti TSMC in druge tekmece, kot je Intel, kot je izjavil njegov nekdanji generalni direktor oddelka za polprevodnike Kye Hyun Kyung.
Samsungova strategija vključuje zagnati svoja vozlišča GAAFET in biti pripravljen na 2nm masovno proizvodnjo Samsung bo svojo proizvodno strategijo začel uvajati, ko bo to zahtevalo povpraševanje na trgu, tako za mobilne sisteme na čipu kot za visokozmogljive rešitve za podatkovne centre. Podjetje dela na naprednih tehnologijah pakiranja in alternativnih materialih za ublažitev toplotnih težav, povezanih z ekstremnim skaliranjem. Več podrobnosti o Samsungovi proizvodni strategiji najdete na [povezava do Samsungovega spletnega mesta/vira]. njihov načrt za proizvodnjo jeder Exynos.
V Intelovem primeru je pristop nekoliko drugačen. Pat Gelsinger, njegov nekdanji izvršni direktor, obljubil ponovno prevzem vodilnega položaja v proizvodnih procesih z agresivnim načrtom, ki vključuje vozlišča, kot so Intel 4, Intel 3, 20A in 18A, v hitrem zaporedju. Dave Zinsser, glavni finančni direktor podjetja, je razkril, da Intel se je odločil, da ne bo tržil izdelka 20A prihraniti približno 500 milijonov dolarjev s prerazporeditvijo dela teh sredstev v 18A.
Ben Sell je to potrdil 18A je dosegel potrebno zrelost za vstop v obsežno proizvodnjo leta 2025V marketinškem smislu je to vozlišče v območju 2 nm (približno 1,8 nm) in združuje tranzistorje nanoleaf GAA z napajalnimi sistemi na zadnji strani čipa, kar je zelo v skladu s tem, kar TSMC predlaga z A16 SPR.
Za Intel velik izziv ni le lansiranje lastnih procesorjev, ki temeljijo na 18A, kot so Panther Lake ali prihodnje družine, temveč pridobiti zaupanje tretjih podjetij v svoji livarski diviziji in tam izdelovati svoje visokovredbene modele. Ključno bo pokazati konkurenčen izkoristek rezin, stabilnost proizvodnje in zanesljive dobavne roke v primerjavi s TSMC.
Fujitsu, Broadcom in 2nm mejnik v superračunalništvu
Medtem ko potrošniški velikani izpopolnjujejo svoja omrežja, Fujitsu in Broadcom sta podala izjavo na področju visokozmogljivega računalništva in visokonivojske umetne inteligence.V sodelovanju s podjetjem TSMC so začeli s proizvodnjo 2nm SoC-ja, znanega kot FUJITSU-MONAKA, namenjenega naslednjemu večjemu japonskemu superračunalniku FugakuNEXT, ki ga vodi RIKEN.
Ta čip je bil zasnovan posebej za ogromne delovne obremenitve superračunalništva in umetne inteligence. Ima 144 jeder in ohišje 3,5D (XDSiP).To pomeni še naprednejšo raven integracije kot tipični 2.5D. Cilj je združiti ogromno računalniško zmogljivost z nizko porabo energije, kar je absolutna prednostna naloga pri strojih tega kalibra.
Da bi nahranili takšno pošast, FUJITSU-MONAKA integrira pomnilniški podsistem z dvanajstimi kanali DDR5Poleg podpore za PCIe 6.0 in CXL 3.0 je ta kombinacija idealen kandidat za ogromne delovne obremenitve umetne inteligence in izjemno zahtevne znanstvene simulacije, kjer sta latenca in pasovna širina pomnilnika prav tako ključni kot surova računalniška moč.
Čeprav to ni prvi 2nm čip, ki je bil kdajkoli predstavljen, Izstopa kot eden prvih v tem vozlišču, ki je dejansko začel s proizvodnjo in to z določenim naročnikom.Namesto da bi ostal pri fazi PowerPointa in sporočil za javnost, se pričakuje, da bo do leta 2027 začel delovati v podatkovnih centrih in superračunalnikih, kar bo okrepilo položaj Fujitsuja v segmentu visokozmogljivih računalnikov v primerjavi s konkurenco, kot so AMD (Instinct), NVIDIA (Grace, Grace Hopper) in Intel (Xeon, Gaudi).
Ta poteza dokazuje, da 2nm ni le stvar vrhunskih mobilnih telefonov ali osebnih računalnikov: Superračunalništvo in elitna umetna inteligenca sta nekatera od prvih področij, kjer bodo čipi iz tega vozlišča delovali s polno zmogljivostjo.saj tam plačate največ za vsak prihranjeni vat in vsako dodatno odstotno točko zmogljivosti.
Vpliv 2nm na osebne računalnike, mobilne telefone in domačo strojno opremo
Če pogledamo povprečnega uporabnika, danes večina procesorjev za namizne in prenosne računalnike za domačo uporabo še vedno deluje na vozliščih, kot so 5 nm in 7 nm v primeru AMD Ryzenin enakovredne ali nekoliko starejše procese v nekaterih Intelovih linijah izdelkov. Pri mobilnih napravah je vrhunski razpon že okoli 3 in 4 nm, na primer z Applovimi čipi ali nekaterimi SoC-ji Qualcomma in MediaTeka.
V tem kontekstu, Kratkoročno ne bomo videli "popolnih" procesorjev za namizne računalnike, ki bi bili v celoti izdelani po 2nm procesu.Stroški na rezino se pri prehodu s 5 nm na 3 nm in nato na 2 nm močno povečajo za približno 50 % ali več, dobičkonosnost pa je upravičena le v segmentih, kjer je marža na čip zelo visoka, kot so grafični procesorji z umetno inteligenco, strežniški procesorji ali ultra-premium SoC-ji.
V domačem okolju je trenutni trend ta odločite se za heterogene zasnove z več proizvodnimi vozlišči v istem izdelkuIntel že uporablja različne litografije v enem samem paketu za kombiniranje visokozmogljivih jeder, učinkovitih jeder, integrirane grafike in krmilnikov V/I na stroškovno uravnotežen način. AMD sledi podobnemu pristopu: napredna litografija za jedrne čipe (CCD) in bolj zrela za V/I čip.
To pomeni, da bomo srednjeročno najverjetneje videli hibridni izdelki, pri katerih so nekateri deli čipa (kot so glavni računski blok, NPU ali določeni čipi predpomnilnika) dejansko izdelani v 2 nmMedtem ko bodo drugi ostali na cenejših vozliščih, kot so 3nm, 4nm ali celo 6nm. Cilj je uravnotežiti enačbo stroškov, zmogljivosti in porabe energije, ne da bi se pri tem bistveno povečala končna cena za potrošnika.
Širitev umetne inteligence v vseh segmentih je povečala pritisk: zdaj Skoraj vsak sodoben sistem na čipu ali procesor mora imeti vgrajen namenski nevronski procesor (NPU) ali pospeševalnik. za učinkovito delovanje modelov umetne inteligence. To poveča kompleksnost zasnove in zahteva bolj specializirano logiko na čipu, za kar je 2nm zelo privlačna, a tudi zelo draga.
Stroški, donos na rezino in zakaj še ne bodo vsi prešli na to tehnologijo
Napredna litografija je bila vedno draga, vendar s 3 nm in 2 nm Račun je poskočil do višine, da si človek dvakrat premisli.Pravijo, da bi lahko ena sama 2nm rezina stala med 25.000 in 30.000 dolarji, odvisno od TSMC-jevih marž in predvsem doseženega donosa.
Na začetku življenja vozlišča, izkoristek na rezino je običajno očitno izboljšanVeč je okvarjenih čipov, več neuporabnih rezin in potrebnih je več prilagoditev procesov. Veliki proizvajalci si prizadevajo doseči vsaj 70-odstotni izkoristek svojih 2nm vozlišč, da bi bila resnično dobičkonosna in privlačna za stranke. Dokler ta prag ni dosežen, so cene in omejitve zmogljivosti zelo visoke.
To pojasnjuje, zakaj se številne zasnove še naprej zanašajo na vozlišča, kot so 3 nm, 4 nm ali 5 nm, kjer Razmerje med zmogljivostjo, porabo in stroški je že tako odlično.Upravičevanje skoka na 2 nm za izdelke srednje ali majhne količine, kot so procesorji srednjega razreda ali sistem na čipu za nepremium naprave, je zapleteno, saj se stroški rezine skoraj podvojijo.
Poleg vsega tega je industrija od 14 nm do 5 nm doživela faza zelo hitrega in relativno "čistega" napredkaTo še posebej velja za TSMC, ki je uspešno prešel na 7nm in 5nm procese. Tempo sprememb, skupaj z razcvetom podatkovnih centrov umetne inteligence in eksplozivno rastjo potrošniške elektronike, je proizvodne zmogljivosti in potrebne naložbe v nove tovarne potisnil na mejo.
V nasprotju s tem je bil Intelov prehod z 10nm na enakovredna 7nm vozlišča veliko bolj neraven, saj so zamude in težave z zmogljivostjo povzročile izgubo tržnega deleža. Ta kontrast je jasno pokazal, da Vsako novo napredno vozlišče je težje in dražje od prejšnjega.In da ni dovolj le krčiti tranzistorje: arhitekture, ohišje in napajalne sisteme je treba preoblikovati skoraj od začetka.
Kaj lahko končni uporabnik pričakuje od 2nm čipov
Če pogledamo z vidika vsakodnevne uporabe, 2nm čipi ne bodo predstavljali "čarobnega" preskoka, kot smo ga videli pred več kot desetletjem.Ko nova generacija prepolovi porabo, se obdobje velikih čudežev miniaturizacije konča; zdaj govorimo o bolj postopnih, a skrbno izdelanih izboljšavah.
V prihodnjih letih se bo vpliv 2 nm najprej občutil v vrhunski in profesionalni segmentiStrežniki, delovne postaje, pospeševalniki umetne inteligence, splošni grafični procesorji in kasneje pametni telefoni ter vrhunski prenosniki. Tukaj se vsaka majhna izboljšava zmogljivosti na vat pretvori v večmilijonske pogodbe in resnično konkurenčno prednost.
Za uporabnika to pomeni ekipe, sposobne lokalno izvajati večje modele umetne inteligenceBolj kompleksne igre z boljšo hitrostjo sličic in nižjo porabo energije, krajšimi časi upodabljanja in prevajanja ter mobilne naprave, ki ohranjajo visoko zmogljivost dlje časa brez pregrevanja.
Srednjeročno bo najbolj zanimivo to, kombinacija teh vozlišč s 3D-embalažem in zasnovami na osnovi čipletovVeč zloženih čipov, pomnilnik veliko bližje računalniškim enotam, zelo visokopasovne notranje povezave in vse večja specializacija vsakega čipa glede na njegovo funkcijo (CPU, GPU, NPU, predpomnilnik, V/I…).
Vse te tehnike poskrbijo, da sporočilo doseže potrošnika ("nov čip, hitrejši in učinkovitejši") To morda še vedno drži, vendar se za tem skriva vse bolj zapleten inženiring.2 nm je le en delček veliko večje sestavljanke, kjer je pomembna vsaka podrobnost, da se iztisne vsak vat razpoložljive energije.
Ker je množična proizvodnja tik pred vrati in so prvi pravi projekti že v teku, 2nm čipi bodo postali srce naslednje generacije procesorjev in pospeševalnikov.Ne bomo priča nenadni spremembi iz enega leta v drugo, temveč stalnemu napredku, kjer se bodo TSMC, Intel in Samsung potegovali za tehnološko vodstvo, medtem ko bodo stranke, kot so Apple, NVIDIA, AMD, Fujitsu in Broadcom, iz vsake nove iteracije iztisnile še zadnjo kapljico zmogljivosti; navsezadnje se bo za uporabnika vse to prevedlo v naprave, ki delujejo bolje, porabijo manj energije in odprejo vrata računalniškim izkušnjam, ki so se še pred kratkim zdele kot znanstvena fantastika.
