سیاست و بازاریابی - TSMC در رویداد جدید خود اعلام کرد پنج نسخه از لیتوگرافی سه نانومتری N3 را توسعه می‌دهد. این شرکت فناوری FinFlex را نیز معرفی کرده که تنظیم دقیق قدرت و مصرف انرژی پردازنده‌ها را ممکن می‌کند.

شرکت صنایع نیمه‌هادی تایوان موسوم به تی اس ام سی روز گذشته رویداد TSMC Technology Symposium 2022 را برگزار کرد. این شرکت به‌طور معمول در سمپوزیوم سالانه‌ی خود نقشه‌ی راه فناوری‌های پردازشی‌اش را به‌روز می‌کند و جزئیاتی درباره‌ی برنامه‌های گسترش خطوط تولید ارائه می‌دهد. 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 بازیگران صنعت نیمه‌هادی باشیم. با در نظر گرفتن تاریخ معرفی N3، به‌نظر می‌رسد TSMC تصمیم گرفته در هر 2٫5 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 چند نسخه از N3 این است که لیتوگرافی N2 به ترانزیستورهای کاملاً جدید GAAFET اتکا می‌کند که با بهره‌گیری از صفحاتی با ضخامت نانو ساخته می‌شوند. انتظار می‌رود تولید این نوع ترانزیستورها هزینه‌برتر از نسل فعلی باشد و به روش‌های ساخت 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.

مقایسه‌ی لیتوگرافی‌های TSMC براساس داده‌های رسمی - N4 دربرابر N5 N4P دربرابر N5 N4P دربرابر N4 N4X دربرابر N5 N4X دربرابر N4P N3 دربرابر N5 N3E دربرابر N5 مصرف انرژی کمتر22- درصد-؟؟25- تا 30- درصد34- درصد قدرت پردازشی بیشتر11+ درصد6+ درصد15+ درصد یا بیشتر4+ درصد یا بیشتر10+ تا 15+ درصد18+ درصد ناحیه‌ی منطقی 0٫94 برابر0٫94 برابر-؟؟0٫58 برابر0٫625 برابر تراکم ترانزیستورهای منطقی 1٫06 برابر1٫06 برابر-؟؟1٫7 برابر1٫6 برابر زمان آغاز تولید انبوه 20222023نیمه‌ی دوم 202220232023نیمه‌ی دوم 2022فصل دوم یا فصل سوم 2023
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 2023 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 قطعات منطقی است. N3E در مقایسه‌ با N5 مصرف انرژی تراشه را تا 34 درصد پایین‌تر می‌آورد (البته با فرض ثابت ماندن سرعت کلاک و پیچیدگی تراشه). از طرفی با فرض ثابت ماندن مصرف انرژی و پیچیدگی تراشه، استفاده از N3E باعث می‌شود قدرت تا 18 درصد افزایش پیدا کند. تراکم ترانزیستورهای منطقی در تراشه‌های مبتنی‌بر N3E به‌میزان 1٫6 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 2023 از راه می‌رسند) نیز سرعت کلاک بالاتری داشته باشند. لیتوگرافی N4X از جریان برق محرک بسیار زیاد و ولتاژ بیش از 1٫2 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 2022) 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 2023 یا اوایل سال 2024 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 سراغ N3S خواهد رفت که روی افزایش تراکم ترانزیستورها متمرکز خواهد بود. پردازنده‌های مبتنی‌بر N3S در تاریخ نامشخصی در سال 2024 از راه می‌رسند. TSMC فعلا به جزئیات دقیق این لیتوگرافی‌ها و تفاوت‌هایی که نسبت به N3 دارند اشاره نکرده است. N3S فعلاً حتی در نقشه‌ی راه TSMC نیز حضور ندارد. اکنون خیلی زود است که 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 می‌توانیم جایگزینی برای N4X به‌حساب بیاوریم. 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 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 (1-2) 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 (2-3) دارند. تولیدکننده‌ای که به‌دنبال برقراری تعادل در زمینه‌ی مصرف انرژی و قدرت پردازشی باشد، FinFETهایی با دو گیت و دو پره (2-2) استفاده می‌کند.

TSMC لیتوگرافی 2 نانومتری N2 را با وعده 56 درصد عملکرد بهتر از N5 معرفی کرد TSMC تولید پردازنده برپایه لیتوگرافی‌های قدیمی را تا 50 درصد افزایش می‌دهد
TSMC ازطریق فناوری FinFlex به طراحان امکان می‌دهد انواع مختلف ترانزیستورهای FinFET را در یک بلوک پردازشی استفاده کنند. دقیقاً به همین دلیل است که امکان تنظیم دقیق قدرت پردازشی و مصرف انرژی فراهم می‌شود. 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 50 درصد افزایش دهد.