Переход на 2-nm чипы является значимым этапом в развитии мировой полупроводниковой промышленности. Этот шаг обещает существенно улучшить производительность и энергоэффективность микрочипов, что критически важно для массовых технологий производства смартфонов, компьютеров, множества другой бытовой техники. Но все же наиболее значительным влияние окажется на развитие высокотехнологичных областей - искусственный интеллект, облачные вычисления (серверные мощности), научные исследования (моделирование сложных систем, геномика, астрофизика), оборонная промышленность.
Возможности обработки данных и скорости вычислений, предоставляемые 2нм чипами, позволят совершить прорыв в каждой из этих сфер. Некоторые сравнивают внедрение 2-nm чипов с переходом от вакуумных ламп к транзисторам, мы остаемся сдержаннее в своих оценках, однако признаем - мир на пороге нового принципиально важного этапа развития полупроводниковых технологий и всего, что с ними связано.
Сегодня мы расскажем о переходе мировой индустрии с используемых сейчас микрочипов 5 и 3 нанометра на новое поколение 2-nm (2 нанометра) чипов. Ближайшие 1,5-2 года как раз ознаменуются этим процессом, а после 2027 года начнется массовое вытеснение чипами нового поколения. В этой связи было справедливо, немного остановиться на вопросе "А с чем мы имеем дело сейчас?"
5-nm/3-nm чипы. Обзор текущего состояния рынка
Разработка 5-nm микрочипов началась еще 15 лет назад в конце 2010 года. Внедрение подобных чипов обещало стать революционным, учитывая технологии 15-ти летней давности, когда были представлены iPhone 4 и iPad первого поколения, мобильная OC Android смогла преодолеть порог 25% от всех пользователей смартфонов в мире, появились первые технологии web-TV прадедушки YouTube и Кинопоиска в ваших телевизорах, Microsoft презентовал свою систему Kinect для Xbox360. Однако, несмотря на амбициозные планы и значительные инвестиции, массовое производство 5нм чипов стало реальностью лишь к началу 2020-х годов. Это связано с огромной сложностью и точностью, требуемой для производства таких микроскопических элементов. Прогресс в литографии, материаловедении и других областях был необходим для преодоления технологических барьеров.
Примерно к этому же времени завершилась разработка, а в 2022 году и началось массовое производство 3-nm чипов. По различным оценкам, 3нм чипы уже занимают около 60% рынка в сегменте новых устройств (важно отметить, что это не 60% от общего количества производимых чипов, а от числа устройств, выпущенных за определённый период, учитывая более высокую стоимость и применение в топовых моделях), однако 5-nm и 4-nm чипы так же широко используются и считаются высокотехнологичными. Более того, широкий сегмент 4-10-nm является крупнейшим и занимает самую большую долю среди всех чипов выпускаемых в мире, благодаря зрелости технологии и широкому внедрению в различных отраслях.
Не вдаваясь в подробности и технические дебри, наподобие GAAFET (Gate-All-Around FET), используемой в 3-nm чипах и finFET транзисторов, используемых в 5-nm чипах, все же выделим основные отличия:
- 3-nm чипы смогли до 35% превзойти старшее поколение по размеру, что в наш век миниатюризации и попытки засунуть любую технологию в небольшую коробочку, действительно важно
- потребление энергии в некоторых случаях было сокращенно вдвое, до 30% была увеличена производительность (при этом при запуске в массовое производства 5-nm микрочипов, прирост составил около 15% по сравнению с предыдущими актуальными техпроцессами)
Остается один важный нюанс, который не мог нас не заинтересовать - разработка 3-nm чипа по-прежнему на 20-25% дороже предыдущего поколения. Все перечисленное влияет на все аспекты проектирования чипов, включая архитектуру, материалы, технологические процессы. Снижение размеров транзисторов позволяет увеличить плотность их размещения на кристалле, что напрямую влияет на вычислительную мощность. Но уменьшение размеров также приводит к новым вызовам: повышению энергопотребления, увеличению сложности производства, возникновению новых физических эффектов, которые необходимо учитывать. Как мы видим, новые технологические прорывы ставят индустрию перед новыми вызовами.
Инженеры сталкиваются с необходимостью преодоления квантово-механических эффектов, таких как туннелирование, улучшения теплоотвода, снижения электромиграции. Решение этих проблем требует использования новых материалов, таких как новые диэлектрики, металлы и легирующие добавки. Разработка новых технологических процессов, включающих усовершенствованные методы литографии, химической обработки и упаковки чипов, является задачей огромной сложности и масштаба. В итоге переход на 2нм чипы – это не просто очередной этап в развитии микроэлектроники, а фундаментальное изменение, которое изменит наш мир.
Мы неоднократно упоминали о запуске производства того или иного чипа, поэтому не можем пройти мимо самих производителей. Но тут все предельно просто: практически одновременно TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) и Samsung вышли на массовое производство 5-nm чипов в 2020 и 3-nm чипов в 2022 годах. Китайская SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) уже в ближайшее время планирует запустить массовое производство 5-nm чипов, можно сказать, окончательно застолбив за собой место в элитном клубе производителей микрочипов.
Продолжая разговор о производителях важно упомянуть, кто является или был основными клиентами обоих компаний - сплошь и рядом весь топ технологических гигантов от Apple, Nvidia, AMD до Qualcomm и Intel у TSMC. У Samsung все немного своеобразнее, так как большая часть производимой продукции удовлетворяет внутренние потребности южнокорейского гиганта и многочисленных проектах, в которых он так или иначе участвует, но список сторонних клиентов тоже значимый. TSCM имеет несколько фабрик у себя на родине, в Сингапуре и США. В настоящий момент в США работают фабрики на западном побережье в штате Вашингтон и строятся 3 завода в Аризоне, один из которых запущен.
Samsung помимо фабрик в Южной Корее, имеет фабрики в Китае, Вьетнаме, в новой условной технологической столице Остине в Техасе. Исследование Fortune Business Insights оценивает глобальный рынок контрактного производства чипов в $150 млрд., 65% процентов которого за TSMC, а за Samsung менее 10%. Еще немногим более 20% рынка контролируют 8-10 производителей (среди которых и упомянутые SMIC с более чем 5%), оставшиеся 10% мирового производства за компаниями, которые можно смело отнести к разделу "Прочие"
Технологические достижения 2-nm чипов
Самое время перейти к главному герою нашей сегодняшней статьи - 2-nm чипу нового поколения. Сразу предупредим, будет много технических подробностей, но раз уж мы взялись рассказать вам о новом поколении чипов, то без этого никак. В мае 2021 года IBM представила первый в мире 2-нм чип, который стал значительным прорывом в технологии производства полупроводников. Этот чип построен на архитектуре GAA (Gate-All-Around FET), что обеспечивает несколько ключевых преимуществ по сравнению с предыдущими технологиями. Новая архитектура представляет собой модифицированную структуру транзистора, где затвор контактирует с каналом со всех сторон. Это достигается за счет использования силиконовых нанопроводов, вокруг которых обернут затвор.
IBM и первый 2-нм чип
Архитектура чипов представленных IBM GAA (Gate-All-Around FET) представляет собой революционный подход к созданию полевых транзисторов, который обещает значительное улучшение производительности и энергоэффективности электронных устройств. В отличие от традиционных планарных транзисторов, где затвор контактирует с каналом лишь с одной стороны, GAA-транзисторы используют трехмерную структуру, обеспечивающую полный контроль над током, протекающим через канал. Представьте себе тончайший силиконовый нанопровод – это и есть сердце GAA-транзистора. Вокруг этого нанопровода, словно обволакивающий его со всех сторон, расположен затвор. Эта "окружающая" конструкция затвора и является ключом к превосходным характеристикам GAA-технологии.
Принцип действия GAA-транзистора основан на управлении электрическим полем, создаваемым затвором. Благодаря тому, что затвор полностью окружает канал, управление потоком электронов становится значительно более точным и эффективным. Это позволяет существенно сократить утечку тока, которая является одним из главных источников энергопотребления в современных электронных устройствах. Меньше утечек – значит меньше энергии расходуется на "бесполезное" нагревание чипа, что напрямую влияет на время автономной работы гаджетов и, конечно же, на их производительность.
Преимущества GAA-транзисторов многогранны. Во-первых, улучшенный контроль тока приводит к значительному повышению производительности. Транзистор способен пропускать больший ток при тех же размерах, что позволяет создавать более мощные и быстрые процессоры. Во-вторых, существенное снижение энергопотребления является критически важным фактором, особенно для мобильных устройств, где длительность работы от батареи является одним из главных критериев выбора. GAA-технология позволяет создавать устройства, которые работают дольше и при этом остаются производительными.
Плотность размещения транзисторов на этих чипах достигает невероятных 50 миллиардов на площади, сравнимой с размером ногтя. Такая высокая плотность достигается благодаря использованию передовой технологии экстремально ультрафиолетовой литографии (EUV). EUV-литография позволяет создавать невероятно тонкие и сложные структуры, размеры которых значительно меньше длины волны видимого света. Это открывает новые возможности для создания микросхем с беспрецедентной плотностью и производительностью. Без EUV создание таких сложных и миниатюрных GAA-транзисторов было бы попросту невозможным. Точность и разрешение EUV-литографии критически важны для формирования структуры нанопровода и окружающего его затвора, гарантируя их правильную и надежную работу. Хотя IBM, пока что, не занимается массовым производством чипов для потребительских устройств, разработка 2-нм технологии с использованием GAA-транзисторов имеет колоссальное значение для всей отрасли.
Эта технология, скорее всего, будет лицензирована другим крупным производителям чипов, прежде всего хорошо нам знакомыми TSMC и Samsung. Это означает, что в ближайшем будущем мы можем ожидать появления смартфонов, ноутбуков и серверов, оснащенных чипами с GAA-транзисторами, что приведет к качественному скачку в производительности и энергоэффективности повседневной электроники. Представьте себе смартфон, который работает в два раза дольше без подзарядки, или ноутбук, который запускает самые требовательные программы в мгновение ока – это реальность, которую приближают инновации в области GAA-технологии. Дальнейшее развитие данной архитектуры обещает еще более впечатляющие результаты, открывая путь к созданию еще более мощных, быстрых и энергоэффективных электронных устройств будущего. Так что нас ждет весьма интересный и насыщенный отрезок в течении, которого 2-nm чипы будут наращивать свое присутствие и доминировать.
Производство и потребление 2-нанометровых чипов
Начнем с тех, кто уже озвучил свои планы по внедрению микрочипов нового поколения в своей продукции:
- Apple планирует оснастить свои будущие смартфоны iPhone 18 новейшим процессором A20, который будет производиться по 2-нм техпроцессу от TSMC. Это ожидается во второй половине 2026 года. Переход на 2-нм техпроцесс позволит повысить производительность на 15% при сохранении энергопотребления, что улучшит скорость работы приложений и увеличит время автономной работы устройств. Очевидно, что это коснётся и других устройств в линейки компании
- Intel планирует использовать 2-нм техпроцесс от TSMC для своих процессоров Nova Lake. Это должно привести к повышению производительности и снижению энергопотребления, что важно для серверов и высокопроизводительных вычислений.
- AMD работает с TSMC над применением передовых технологий, таких как упаковка SoIC-X. Хотя нет прямых заявлений об использовании 2-нм чипов, но неоднократно звучали заявления инсайдеров и экспертов, о том что компания заинтересована в этой технологии и связывает с ней свои планы.
- Broadcom ожидает поставки образцов 2-нм чипов в июне 2025 года. Это может стать началом сотрудничества в области передовых полупроводниковых технологий. В данном случае, речь идет о глобальном партнерстве с производителем Rapidus, о них мы подробнее расскажем далее.
- AWS выстроилась в очередь за передовыми чипами TSMC, что может включать 2-нм технологию. Это указывает на интерес к повышению производительности и энергоэффективности в дата-центрах.
Касательно планов запуска производства, мы прежде всего будем ориентироваться на TSMC и Samsung. Обе компании планируют запуск производства чипов нового поколения уже в этом году. Не будем рассуждать о том насколько массовым оно будет в 2025 году, однако обе компании заявили, что 2026-2027 годы, станут годами массового распространения новой технологии. Это подтверждают планы и портфели заказов обеих компаний, сформированных на годы вперед.
TSMC планирует производить 2-нм чипы на нескольких фабриках в Тайване. Первая фабрика находится вблизи Баошаня в Хсинчу, недалеко от исследовательского центра R1, и ожидается, что она начнет массовое производство во второй половине 2025 года. Вторая фабрика будет расположена в научном парке Каосюн и запустится в 2026 году. Компания также оснащает фабрику в Гаосюне для производства 2-нм чипов, начав монтаж оборудования с опережением ранее утвержденного графика. Не останется в стороне и американское отделение TSCM - начать производство 2-нм чипов в Аризоне, в рамках третьей фазы строительства завода Fab 21 к 2028 году.
Samsung планирует начать производство 2-nm чипов, как и TSCM в 2025 году. Конкретные фабрики для этого производства пока не известны, нам не удалось найти какую-то достоверную информацию на эту тему, но беря во внимания принципы и опыт работы с предыдущими поколениями чипов, компания с большой вероятностью, на начальном этапе задействует свои объекты в Южной Корее. Постепенная интеграция 2-nm чипов от Samsung предполагает вначале производство для мобильных устройств, затем для HPC (высокопроизводительные вычисления) и автомобильных чипов, далее уже массовое распространение в остальных секторах.
Амбициозный новичок
Как мы упоминали ранее, приход новой эры полупроводников будет ознаменовано появлением новичка на рынке разработки и производства микрочипов. Речь идет о японской компании Rapidus, основанной в 2022 году при поддержке правительства Японии и нескольких крупных японских компаний, включая Toyota и Sony. Основной целью Rapidus является разработка и производство передовых полупроводниковых технологий, в том числе 2-нм чипов. Компания получила значительную поддержку от японского правительства, включая субсидии в размере почти $4 миллиарда для развития производства и исследований.
Общая стоимость проекта оценена в более чем $50 миллиардов. Японское правительство активно работает над восстановлением своей полупроводниковой индустрии. Ожидается, что общий объем инвестиций в эту отрасль может достигнуть $325 миллиардов в ближайшее десятилетие. Президент Rapidus Ацуёси Коикэ (Atusyoshi Koike), неоднократно заявлял, что проект рассчитан не только на сам факт начала производства собственных чипов нового поколения, он будет конкурировать с лидерами индустрии (речь про TSMC, Samsung и SMIC). Это может оказаться сложной задачей из-за доминирования лидеров рынка, с понятной схемой реализации продукции, огромными портфелями заказов и прочего, но вполне выполнимой, если учесть все обстоятельства вокруг появления и планов развития Rapidus.
Фабрика Rapidus на острове Хоккайдо, в городе Титосе, стоимостью более $30 миллиардов и будет оснащена современным оборудованием, включая EUV литографию. Ее строительство началось в 2024 году, и к октябрю 2024 года было завершено примерно на 60-70%. В конце 2024 года Rapidus начала получать EUV-оборудование от голландской компании ASML, что как мы писали ранее, является ключевым компонентом для производства передовых чипов. Rapidus планирует сосредоточится на производстве чипов для нишевых клиентов, что отличает ее от крупных производителей, таких как TSMC и Samsung. На данный момент, Япония занимает примерно 15% от общего объема мирового потребления полупроводников и вряд ли эти показатели будут снижаться (хотя с начала 2010-хх годов он незначительно снизился). Зная особенности деловой культуры японских компаний, где приоритет при прочих равных , отдается сотрудничеству с местными компаниями (что, разумеется, не отменяет умение японских компаний строить крайне эффективное международное сотрудничество) перспективы для Radius выстраиваются достаточно радужные, особенно учитывая правительственную программу поддержки отрасли.
Rapidus уже официально анонсировал начало пробного производство 2-нм чипов в апреле 2025 года, а переход на массовое производство ожидается в 2027 году. Если проект будет успешно реализован, то компания запланировала строительство второго производственного комплекса с прицелом на будущее для выпуска, внимание (!!!), 1,4-nm чипов.
Прогноз на 2 триллиона долларов!
Прогнозы относительно будущего рынка чипов с технологией 2 нм были озвучены как представителями компании TSMC, так и аналитиками из различных секторов индустрии. C.C. Wei, который занимает пост председателя правления TSMC, акцентирует внимание на значимости технологии 2 нм для достижения лидерства в полупроводниковой отрасли.
Важно отметить, что эксперты, включая техноблогеров и финансовых аналитиков, поддерживают этот прогноз, ссылаясь на предыдущие успехи TSMC и на растущий спрос на высокопроизводительные чипы, которые необходимы для различных современных приложений. Аналитики, работающие в области полупроводников, часто подчеркивают, что потенциал технологии 2 нм крайне высок, что мы и пытались проиллюстрировать в нашей статье. Специалисты отмечают, что TSMC имеет все шансы сохранить своё лидерство на этом конкурентном рынке, благодаря своим инновациям и способности быстро адаптироваться к меняющимся требованиям.
Выводы, сделанные TSMC, о потенциальной рыночной стоимости в $2 триллиона, подчеркивают значительный потенциал технологии 2 нм в стимулировании роста всей полупроводниковой отрасли. Учитывая сильную конкуренцию со стороны других компаний и растущий спрос на передовые чипы, можно с уверенностью предположить, что в ближайшие годы технология 2 нм станет одной из ключевых движущих сил на рынке потребительской электроники и высокопроизводительных вычислений.