13 сентября 2023 года на осенней конференции Apple по запуску новых продуктов был представлен первый в мире 3-нм чип A17Pro вместе с серией iPhone15Pro, которую до сих пор производит старый друг Apple TSMC. До выхода этого чипа на него все возлагали большие надежды. По сравнению с небольшими узлами, такими как 4-нм, 3-нм — еще одна важная итерация процесса после 5-нм. Оглядываясь назад на прошлую историю, можно сказать, что каждое серьезное обновление процесса приведет к еще одному существенному улучшению производительности чипа, и то же самое должно быть справедливо и для 3-нм техпроцесса.
Но случился несчастный случай. Улучшение этого якобы мощного чипа A17Pro оказалось не таким значительным, как все себе представляли. Вместо этого проблема с нагревом iPhone15Pro превратила Apple в «драконий фрукт».
Итак, должна ли TSMC нести ответственность за нагрев?
Непреодолимое тепловыделение
Вскоре кто-то пришел поддержать TSMC. Аналитик Tianfeng International Минг-Чи Куо опубликовал сегодня статью, объясняющую текущую проблему перегрева мобильного телефона Apple iPhone 15 Pro, и заявил, что это «не имеет ничего общего с 3-нм техпроцессом TSMC».
Минг-Чи Куо сказал, что проблема перегрева серии iPhone 15 Pro не имеет ничего общего с 3-нм техпроцессом TSMC. Вероятно, это главным образом связано с компромиссом в конструкции системы отвода тепла, направленным на то, чтобы сделать ее легче, например, с меньшей площадью рассеивания тепла и использованием титанового сплава, который влияет на эффект рассеивания тепла.
Конечно, в этом нет ничего плохого. Согласно текущей разборке, в iPhone 15 Pro по-прежнему используется двухслойная материнская плата с чипом ПЗУ сзади и чипом основной полосы частот спереди. Все они представляют собой чипы, которые выделяют много тепла. Собрать их вместе — это все равно, что оставить A17 Pro рядом с костром. Если нагрузка большая, пожар станет сильнее. Мало того, что процессор будет работать на пониженной частоте, пользователь вскоре почувствует нагрев телефона.
Кроме того, рамка из титанового сплава, которую Apple долгое время продвигала на этой пресс-конференции, на самом деле усугубляет проблему плохого отвода тепла замаскированного iPhone. Теплопроводность титана составляет λ = 15,24 Вт/(м·К), что составляет около 1/4 никеля, 1/5 железа и 1/14 алюминия. Теплопроводность этого титанового сплава примерно на 50% ниже, чем у чистого титана. Это означает, что хотя iPhone 15 Pro легче, рассеивание тепла не так хорошо, как у рамы из алюминиевого сплава iPhone 15 и рамы из нержавеющей стали у iPhone 14 Pro.
Однако слова Минг-Чи Куо не являются исчерпывающими. Согласно отечественным тестам Geek Bay, время автономной работы iPhone 15 Pro и iPhone 15 Pro Max регрессировало по сравнению с предыдущим поколением, снизившись примерно на десятки минут. За счет небольшого увеличения емкости аккумулятора сократился срок его службы. Помимо планирования производительности самого процессора, проблема еще может заключаться в энергоэффективности самого A17 Pro.
По данным Techinsights, по сравнению с A16 площадь каждого ядра производительности и эффективности ядра A17Pro уменьшена на 20%, площадь каждого ядра графического процессора увеличена на 5%, а общее ядро графического процессора увеличено на 20%. Благодаря развитию технологического процесса общая площадь чипа A17Pro немного сократилась, но количество транзисторов достигло нового максимума в 19 миллиардов, что почти на 20% больше по сравнению с 16 миллиардами транзисторов предыдущего поколения. Возможность выполнить такое масштабное обновление необходима для 3-нм техпроцесса TSMC.
Однако, согласно официальному заявлению Apple, общая производительность процессора A17Pro лишь примерно на 10% выше, чем у предыдущего поколения. Улучшение графического процессора на 20% во многом связано с переходом от 5 ядер к 6 ядрам. Только НПУ имеет наибольшее улучшение. Вычислительная мощность была повышена с 17TOPS до 35TOPS. Нетрудно догадаться, что ее реальный масштаб стал гораздо больше. Кроме того, добавление нового контроллера USB3 — это основные точки обновления A17Pro, и он не совершил того значительного скачка, которого ожидали многие.
Когда A17Pro потерял свой мифический ореол, 3-нм техпроцесс TSMC также оказался под вопросом.
ФинФЭТ исчерпан
Почему TSMC, которая все еще работала гладко на 4-нм техпроцессе, перевернулась, когда дело дошло до 3-нм?
При 5-нм техпроцессе и TSMC, и Samsung используют технологию FinFET (Fin Field Effect Transistor) для управления током, протекающим через транзистор. Эта технология может контролировать прохождение электронов с «трех сторон» (как показано ниже). Если электроны плохо контролируются и бегают, это приведет к утечке, что, в свою очередь, повысит температуру телефона.
Чтобы лучше контролировать ток, два полупроводниковых гиганта разработали технологию контроля прохождения электронов со «всех сторон», названную GAA (Gate-All-Around), для дальнейшего предотвращения утечки. Однако на 3-нм узле TSMC решила продолжить использование процесса FinFET и не перешла на GAA до 2-нм. Samsung была первой, кто представил GAA на 3-нм техпроцессе. Хотя он еще не производился серийно, ожидается, что он обеспечит лучшее энергопотребление и плотность, чем FinFET.
В 2011 году Intel впервые применила 22-нм технологию FinFET в своем процессоре с микроархитектурой IvyBridge. В 2014 году TSMC и Samsung впервые внедрили технологию FinFET в 16/14-нм техпроцесс. В последующие годы FinFET стал популярной технологией для многих заводов по производству пластин. Традиционные плоские процессы не могли удовлетворить потребности продвинутых процессов, и закон Мура был снова продолжен.
Но в течение нескольких лет, начиная с 7-нм техпроцесса, проблема утечки статического электричества становилась все более серьезной, а дивиденды энергопотребления и производительности от эволюции исходного процесса постепенно исчезали. Стало общепринятым, что FinFET не может удовлетворить потребности 3-нм и более продвинутых процессов. Вопрос о том, когда вводить GAA, стал предметом внимания многих людей. Intel и TSMC решили продолжать использовать FinFET на 3-нм техпроцессе, в то время как Samsung, находящаяся в невыгодном положении с точки зрения конкуренции, решила внедрить технологию GAA на 3-нм техпроцессе, чтобы привлечь больше клиентов.
На технологическом семинаре TSMC в августе 2020 года TSMC заявила, что внесла серьезное обновление в свою технологию FinFET. N3, или 3-нм, будет использовать расширенную и улучшенную версию FinFET с приростом производительности до 50% и снижением энергопотребления до 30%, прирост плотности в 1,7 раза выше, чем у N5. Однако следует отметить, что данное сравнение представляет собой лишь сравнение первого поколения N3 и N5. После того, как N5 был обновлен до последней версии N4 после нескольких раундов итераций, фактическое улучшение оказалось не таким замечательным, как было объявлено на семинаре.
Возвращаясь к GAA, TSMC называет его nanosheetFET, а Intel — RibbonFET. Суть этих технологий одна и та же: ребро FinFET повернуть на 90°, а затем сложить несколько ребер горизонтально. Все эти плавники проходят через ворота или полностью окружены воротами, поэтому это называется Gateallaround. Кроме того, каждое перевернутое ребро похоже на лист, и все они являются каналами, поэтому их еще называют nanosheetFET.
С конструктивной точки зрения площадь контакта между затвором и каналом транзистора GAAFET стала больше, и контакт имеется с каждой стороны, что обеспечивает лучшее управление переключением, чем FinFET. А для FinFET ширина плавника является фиксированной величиной; но для GAAFET ширина самого листа и эффективная ширина канала являются гибкими. Более широкий лист, естественно, обеспечит более высокий ток возбуждения и производительность, тогда как более узкий лист будет занимать меньшую площадь.
Причину, по которой TSMC не использует GAA в 3-нм техпроцессе, понять несложно: стоимость и технология. Затраты — это капитальные вложения в новые заводы и новые мощности, а такие технологии, как меньшая подвижность отверстий в каналах на основе кремния, приводят к плохой работе pFET. IBM заявила на предыдущем IEDM, что решение этой проблемы заключается в материале кремний-германиевого канала (SiGe), который pFET может прикладывать сжимающее напряжение: «Кремниево-германиевый канал pFET может обеспечить увеличение подвижности на 40%, преимущество в производительности на 10% по сравнению с каналами на основе кремния, а также имеет более низкое пороговое напряжение (Vt), а также улучшаются характеристики температурной нестабильности отрицательного смещения (NBTI)».
Конечно, преимущества GAA не очевидны, что также может быть одной из проблем TSMC. Ранее Samsung рассказывала о процессе 3nmGAA и его преимуществах перед 4nmFinFET с точки зрения частоты и энергопотребления, как показано на рисунке ниже, но на этом рисунке не указаны абсолютные и относительные значения. Это говорит только в общих чертах. По сравнению с транзисторами 4nmFinFET, 3nmGAA может достигать более высоких частот при той же эффективной ширине канала (Weff, ширина ребра/лист × количество ребер/лист); в то же время он может обеспечить более низкое энергопотребление.
Различные причины заставили TSMC принять решение использовать GAA только в 2-нм техпроцессе. 3-нм стал последним поколением FinFET, что также подготовило почву для отказа от A17Pro.
Конечно, более серьезной проблемой является уровень доходности. По данным HiInvestment&Securities, 3-нм техпроцесс Samsung оценивается более чем в 60%. Для сравнения, 3-нм техпроцесс TSMC составляет около 55%. Доходность новой технологии почти такая же, как и доходность старой технологии, что заставляет людей удивляться. «Любимая сделка» между Apple и TSMC, о которой стало известно несколько месяцев назад, началась: Apple разместила у TSMC огромный заказ на 3-нм чипы, но потребовала, чтобы расходы на некачественные чипы несла сама TSMC. Apple нужно платить только за хорошие чипы. Некоторые СМИ заявили, что таким образом Apple может ежегодно экономить миллиарды долларов.
Если ставка доходности достаточно высока, Apple не нужно будет совершать специальную поездку, чтобы заключить сделку с TSMC. Поскольку TSMC начала массовое производство 3-нм технологии в 2022 году, уровень доходности все еще не достиг нижнего предела Apple, а показатели энергопотребления сейчас не идеальны. Удастся ли убедить больше клиентов принять такой процесс при повторном росте цен, возможно, станет большой проблемой, которую TSMC придется решить в 2024 году.
Кто лидирует в 3-нм техпроцессе?
В настоящее время TSMC по-прежнему производит N3B — 3-нм техпроцесс первого поколения для Apple. Преимуществом этого процесса является значительное увеличение плотности транзисторов, то есть 19 миллиардов транзисторов, достигнутых A17Pro. N3E, который выйдет в следующем году, будет немного уступать по плотности транзисторов, но более идеален с точки зрения контроля энергопотребления. Многие производители, включая Apple, заинтересованы во внедрении этого процесса. Если TSMC сможет к тому времени значительно повысить уровень доходности, я уверен, что к дверям Fabless по-прежнему будет приходить бесконечный поток производителей.
Но Samsung уже присматривается к 3-нм техпроцессу GAA. Если TSMC допустит ошибку, заказы, которые изначально принадлежали ей, могут перейти к ее старым конкурентам. Такая ситуация уже произошла в 16-нм и 7-нм технологиях. Теперь, когда ожидается переход на 3-нм технологию, есть вероятность, что это произойдет снова.
3 нм — это небольшое препятствие, которое TSMC необходимо срочно преодолеть.