TSMC جزئیات پنج لیتوگرافی 3 نانومتری خود را اعلام و فناوری FinFlex را معرفی کرد

شرکت صنایع نیمه‌هادی تایوان، TSMC، روز ۱۵ ژوئن ۲۰۲۲ رویدادی با عنوان Technology Symposium، برگزار کرد و در آن نقشه‌ی راه به‌روز‌شده‌ی فناوری‌های پردازشی‌اش را منتشر و جزئیاتی درباره‌ی برنامه‌های گسترش خطوط تولید ارائه کرد.

براساس گزارش AnandTech، شرکت TSMC در سمپوزیوم امسال به نسل جدید نودهای پردازشی خود که متعلق‌ به خانواده‌ی سه نانومتری (N3) و دو نانومتری (N2) هستند اشاره کرده است. لیتوگرافی‌های نسل جدید TSMC در سال‌های پیش رو برای ساخت سیستم‌-روی-چیپ‌ها، پردازنده‌های مرکزی و پردازنده‌های گرافیکی پیشرفته استفاده خواهند شد.

با پیچیده‌تر شدن لیتوگرافی پردازنده‌ها، شرکت‌های تراشه‌ساز باید هزینه و زمان بیشتری را صرف تحقیق‌و‌توسعه کنند و به همین دلیل برخلاف سال‌های گذشته، قرار نیست هر دو سال یک‌بار شاهد روی کار آمدن لیتوگرافی کاملاً جدیدی از سوی TSMC و دیگر تولید‌کنندگان صنعت نیمه‌هادی باشیم.

با در نظر گرفتن تاریخ معرفی N3، به‌نظر می‌رسد TSMC تصمیم گرفته در هر ۲٫۵ سال نسل جدیدی از لیتوگرافی‌های خود را در پردازنده‌ها استفاده کند. البته فاصله‌ی بین عرضه‌ی پردازنده‌های مبتنی‌بر N3 و پردازنده‌های مبتنی‌بر N2 به حدودا سه سال افزایش پیدا خواهد کرد. این یعنی TSMC برای برآورده کردن نیاز مشتریانش باید در طول سه سال پیش رو چندین نسخه از لیتوگرافی N3 را طراحی کند و در هر نسخه‌ی جدید عملکرد به ازای وات و تراکم ترانزیستورها را بهبود دهد.

یکی دیگر از دلایل نیاز TSMC و مشتریانش به چندین نسخه از گره‌ی N3 این است که لیتوگرافی N2 به ترانزیستورهای کاملاً جدید GAAFET با ضخامت نانوصفحه‌ای اتکا می‌کند و انتظار می‌رود تولید این نوع ترانزیستورها نسبت به نسل فعلی گران‌تر بوده و به روش‌های ساخت و آی‌پی‌های جدید نیاز پیدا کند. تفاوت بین ویفرهای سه نانومتری و ویفرهای دو نانومتری TSMC بسیار زیاد خواهد بود.

شکی نداریم که تولیدکنندگان تراشه‌های مدرن در زمانی سریع سراغ استفاده از N2 خواهند رفت، اما اکثر مشتریان TSMC در سال‌های آینده به استفاده از N3 ادامه خواهند داد.

TSMC در سمپوزیوم فناوری ۲۰۲۲ به چهار نسخه از لیتوگرافی N3 اشاره کرد که N3E و N3P و N3S و N3X نامیده می‌شوند و تعداد نهایی لیتوگرافی‌های سه نانومتری شرکت تایوانی را به پنج مورد می‌رسانند. TSMC در سال‌های آینده، به تدریج این لیتوگرافی‌ها را معرفی و جزئیات کامل آن‌ها را منتشر می‌کند.

TSMC می‌گوید در هر نسخه‌ی جدید از N3 قرار است شاهد استفاده از فناوری‌های جدیدتر، بهبود عملکرد، افزایش تراکم ترانزیستورها و ولتاژ بیشتر برای پردازش‌های سنگین باشیم. تمامی این نودهای پردازشی از قابلیت FinFlex پشتیبانی خواهند کرد.

FinFlex به‌صورت اختصاصی توسط TSMC توسعه داده شده و به ادعای این شرکت می‌تواند «تغییرپذیری طراحی آن‌ها را بسیار بهبود دهد.» FinFlex به طراحان تراشه امکان می‌دهد با دقت بالا عملکرد، مصرف انرژی و هزینه‌ها را بهینه و مدیریت کنند.

TSMC از اولین لیتوگرافی کلاس سه نانومتری خود با نام N3 یاد می‌کند و می‌گوید تولید انبوه پردازنده‌های مبتنی‌بر این لیتوگرافی در نیمه‌ی دوم سال جاری میلادی آغاز خواهد شد. در اوایل سال ۲۰۲۳ اولین تراشه‌های مبتنی‌بر این لیتوگرافی در قالب محصولات به دست مشتریان می‌رسند.

N3 بیشتر مخصوص شرکت‌هایی مثل اپل است که قصد دارند قبل از شرکت‌های دیگر سراغ استفاده از مدرن‌ترین لیتوگرافی‌ها بروند و مشکلی با سرمایه‌گذاری عظیم در این زمینه ندارند. اپل با بهره‌گیری از لیتوگرافی N3 شرکت TSMC می‌تواند عملکرد تراشه‌های اختصاصی خود را بهبود دهد و مصرف انرژی آن‌ها را پایین بیاورد.

N3 برای یک‌سری کاربرد خاص طراحی شده و به همین دلیل ممکن است در تمامی زمینه‌ها بازدهی مدنظر را ارائه ندهد. دقیقاً همین‌جا است که N3E وارد معادله می‌شود. به گفته‌ی TSMC لیتوگرافی N3E در عین افزایش قدرت و کاهش مصرف انرژی تراشه‌ها، آن‌ها را پرکاربردتر می‌کند و در نهایت بازدهی را بالاتر می‌برد. بااین‌حال لیتوگرافی N3E دارای تراکم پایین‌تری از ترانزیستور‌های منطقی است.

N3E در مقایسه‌ با N5 مصرف انرژی تراشه را تا ۳۴ درصد پایین‌تر می‌آورد (البته با فرض ثابت ماندن فرکانس و پیچیدگی تراشه). از طرفی با فرض ثابت ماندن مصرف انرژی نیز، استفاده از N3E باعث می‌شود قدرت تا ۱۸ درصد افزایش پیدا کند. تراکم ترانزیستورهای منطقی در تراشه‌های مبتنی‌بر N3E به‌میزان ۱٫۶ برابر بیشتر از تراشه‌های مبتنی‌بر N5 خواهد بود.

داده‌های منتشرشده از سوی TSMC نشان می‌دهد پردازنده‌های مبتنی‌بر N3E قرار است حتی نسبت به پردازنده‌های مبتنی‌بر N4X (که در سال ۲۰۲۳ از راه می‌رسند) نیز سرعت کلاک بالاتری داشته باشند. لیتوگرافی N4X از جریان برق محرک بسیار زیاد و ولتاژ بیش از ۱٫۲ ولت پشتیبانی می‌کند و به‌لطف این دو مشخصه می‌تواند پردازنده‌ها را از لحاظ قدرت شکست‌ناپذیر کند؛ البته دستیابی به این قدرت بالا با مصرف انرژی زیاد همراه می‌شود.

به‌طور کلی N3E درمقایسه‌با N3 لیتوگرافی پرکاربردتری به نظر می‌رسد. در هفته‌های آینده (به‌طور مشخص‌تر در فصل دوم یا فصل سوم ۲۰۲۲) تولید آزمایشی پردازنده‌های مبتنی‌بر N3E آغاز می‌شود. در اواسط سال آینده‌ی میلادی شاهد آغاز تولید انبوه این پردازنده‌ها خواهیم بود. بدین ترتیب انتظار داریم پردازنده‌های مبتنی‌بر N3E در اواخر سال ۲۰۲۳ یا اوایل سال ۲۰۲۴ به دست مشتریان برسند.

بهبودهای لیتوگرافی سه نانومتری TSMC با N3E متوقف نمی‌شود. TSMC گفته لیتوگرافی دیگری نیز با نام N3P توسعه می‌دهد که تمرکز ویژه‌ای روی قدرت پردازشی دارد. شرکت تایوانی پس از N3P نیز سراغ N3S خواهد رفت که روی افزایش تراکم ترانزیستورها متمرکز خواهد بود. پردازنده‌های مبتنی‌بر N3S در تاریخ نامشخصی در سال ۲۰۲۴ از راه می‌رسند.

TSMC فعلا به جزئيات دقیق این لیتوگرافی‌ها و تفاوت‌هایی که نسبت به N3 دارند اشاره نکرده است و N3S حتی فعلا در نقشه‌ی راه TSMC نیز حضور ندارد. بنابراین هنوز خیلی زود است تا بخواهیم درباره‌ی مشخصه‌های N3S گمانه‌زنی کنیم.

TSMC برای آن دسته از مشتریانی که صرف‌نظر از مصرف انرژی به‌دنبال پردازنده‌ای بسیار قدرتمند می‌گردند لیتوگرافی N3X را ارائه می‌دهد. N3X را می‌توان جایگزینی برای N4X به‌حساب آورد. شرکت تایوانی جزئیات فنی این لیتوگرافی را نیز اعلام نکرده و صرفاً گفته N3X از جریان محرک بسیار زیاد و ولتاژ بالا پشتیبانی خواهد کرد.

ممکن است برخی افراد تصور کنند که TSMC در لیتوگرافی N3X از سیستم تحویل انرژی پشتی استفاده کند، اما فراموش نکنید با لیتوگرافی مبتنی‌بر FinFET طرف هستیم و TSMC گفته از این سیستم تحویل انرژی صرفاً در لیتوگرافی N2 استفاده می‌کند.

حالا که بحث بهبودهای N3 مطرح شد، بد نیست نگاهی به فناوری جدید FinFlex بیاندازیم. به‌طور خلاصه، FinFlex به طراحان تراشه امکان می‌دهد با دقت بسیار بالا بلوک‌های پردازشی را اصلاح کنند تا قدرت بیشتر، تراکم ترانزیستور بالاتر و مصرف انرژی کمتر در تراشه‌ها ارائه شود.

طراحان تراشه به هنگام استفاده از لیتوگرافی مبتنی‌بر FinFET می‌توانند از چند مجموعه که متشکل‌از ترانزیستورهای مختلف هستند استفاده کنند. تولیدکنندگان به هنگام نیاز به کاهش ابعاد Die و پایین آوردن مصرف انرژی (و البته قدرت پردازشی) سراغ استفاده از آن دسته از ترانزیستورهای FinFET می‌روند که مجهز به دو گیت و یک پره (۱-۲) هستند، بااین‌حال به هنگام نیاز به افزایش قدرت پردازشی و بالا بردن ابعاد Die و مصرف انرژی، FinFETهایی استفاده می‌کنند که سه گیت و دو پره (۲-۳) دارند. تولیدکننده‌ای که به‌دنبال برقراری تعادل در زمینه‌ی مصرف انرژی و قدرت پردازشی باشد، FinFETهایی با دو گیت و دو پره (۲-۲) استفاده می‌کند.

در حال حاضر طراحان برای تولید تراشه مجبورند سراغ استفاده از یک نوع ترانزیستور بروند و امکان استفاده از چند نوع ترانزیستور در یک تراشه (یا در بلوک‌های هر SoC) وجود ندارد. برای نمونه، هسته‌های CPU را می‌توان با استفاده از ترانزیستورهای ۲-۳ ساخت تا قدرت پردازشی بسیار بالا باشد و در صورت استفاده از ترانزیستورهای ۱-۲ مصرف انرژی و ابعاد کاهش پیدا می‌کند. فدا کردن قدرت برای مصرف انرژی (و برعکس) منطقی و عادلانه به نظر می‌رسد، اما برای تمامی سناریوها ایدئال نیست به‌خصوص وقتی درباره‌ی تراشه‌هایی سه نانومتری صحبت می‌کنیم که ساخت آن‌ها پرهزینه‌تر از تراشه‌های امروزی است.

فناوری‌های این‌چنینی در تولید ساختارهای پیچیده نظیر هسته‌ی CPU بسیار پرکاربرد هستند و باعث می‌شوند در عین حفظ ابعاد Die قدرت هسته افزایش پیدا کند. البته FinFlex با وجود تمامی مزایایش نمی‌تواند جایگزین مناسبی برای جهش نسلی لیتوگرافی و اعمال تغییر در تراکم ترانزیستور و ولتاژ باشد؛ چون نسل‌های جدیدتر لیتوگرافی بیش از ساختار ترانزیستورها روی عملکرد تراشه اثر می‌گذارند.

تولید اولین تراشه‌های سه نانومتری TSMC در ماه‌های آینده رسماً آغاز می‌شود و در اوایل سال آینده‌ی میلادی شاهد عرضه‌ی این تراشه‌ها خواهیم بود. TSMC هم‌زمان با تمرکز روی لیتوگرافی‌های مدرن قصد دارد در سه سال آینده ظرفیت تولید تراشه برپایه‌ی لیتوگرافی‌های قدیمی مثل N12 را نیز تا ۵۰ درصد افزایش دهد.