Počítačové čipy a hranice pokroku: kam spěje polovodičový průmysl?

Když už nyní víme, jaká je aktuální situace a co můžeme očekávat, můžeme se zaměřit také na to, co hodlají přední výrobci čipů používat, čili jaké procesy. Intel, Samsung i TSMC se přitom chystají mohutně investovat a i když se v poslední době mluví především o kapacitách spíše než o nových procesech, ty jsou s investicemi pochopitelně spojeny také. 

 

 

 

Intel má co dohánět, neboť kvůli problematickému 10nm procesu přišel o svůj náskok a navíc nabral oproti ostatním i zpoždění. A i když se dá říci, že jeho 10nm proces je zhruba na úrovní N7 (7nm) firmy TSMC či snad i Samsungu, obě tyto společnosti již vyrábí pomocí 5nm procesů, chystají se už na 4nm a v příštím roce na 3nm a navíc už tak dávno využívají EUVL, což Intel teprve čeká. 

 

Na druhou stranu, Intel nesoupeří s výrobními procesy jiných, ale s firmami, které je využívají, a to je především AMD a NVIDIA, které nevyužívají zcela nejmodernější technologie. Navíc také nejde pouze o ně, ale i o výrobní kapacitu, již má Intel stále mnohem vyšší než to, co si dokáže zajistit AMD. 

 

Intel už je také s ohledem na své plány mnohem sdílnější než dříve (kdežto v případě AMD je to spíše naopak), a tak máme zprávy o vývoji jeho 7nm technologie. I tu potkaly minulý rok problémy, ale ty byly dle letošní jarní zprávy už vyřešeny, jenomže nabrané zpoždění už nikdo nesmaže, takže máme výhled na to, že tu 10nm proces bude i příští rok a až v roce 2023 nastoupí 7nm proces (dle nového označení Intel 4) a s ním i EUVL. To mimochodem představuje alespoň dvě desktopové procesorové generace (Alder Lake a Meteor Lake), což se ale dá akceptovat. V případě mobilních čipů to je ale odlišné, Intel začal nesměle "generací" Cannon Lake tvořenou ve skutečnosti jen jedním modelem a pak přišly Ice Lake a ve dvou vlnách Tiger Lake. 

 

z upoutávky Intelu na Xe-HPG 

 

Výrobní strategie Intelu známá jako IDM 2.0 ale nezahrnuje jen stavbu nových moderních továren. Jde v ní také o využití cizích kapacit, ale zatím nebylo v tomto ohledu nic konkrétního uvedeno. Z odpovědí nového CEO Patricka Gelsingera a jiných zpráv se ale ukazuje, že v případě procesorů pro PC to bude v případě procesorů rok 2023, a možná už tak půjde o 3nm výrobní proces firmy TSMC. Ještě mnohem dříve by ale měly přijít herní grafiky Intel Xe-HPG, v jejichž případě už dávno víme, že jejich GPU Intel vyrábět nebude. Ale ani zde neznáme přesný výrobní proces a jen se šušká o tom, že by to mohl být TSMC N7 nebo z něj odvozený N6. 

 

Intel nás také nedávno oblažil pěknou dávkou nových informací, které se týkají především jeho výrobních procesů. Ty všechny jsme shrnuli do následujících aktualit: 

• Budoucnost výroby v Intelu: nanometry jdou stranou, přichází angstrom
• Intel PowerVia, RibbonFET a pokročilá EUV se blíží
• Intel a inovace v pouzdření: EMIB, Foveros Omni a Direct
• Intel ukázal design budoucích CPU Alder/Meteor Lake a Sapphire/Granite Rapid

V kostce jde o to, že Intel jednak přeznačuje své výrobní procesy, čili z poslední verze 10nm procesu se nově stal Intel 7 a z plánovaného 7nm procesu pak Intel 4 a tak dále až k procesu 20A, v němž se zase oklikou vracíme k nanometrům. A (či a) zde totiž znamená angstrom, jak se obvykle označuje desetina nanometru, čili 20A se rovná 2nm.  

 

 

Intel tak pokračuje v původním plánu a chystá se po poslední verzi (původně) 10nm procesu přijít se 7nm třídou (nově procesy Intel 4 a 3) a samotný 20A se objevil jako horká novinka. Právě v jeho případě už chce Intel přejít na RibbonFET, jak nazývá své verze GAAFET, přičemž využije technologii PowerVia. 

 

A ještě dále v budoucnosti, čili po roce 2024, je proces 18A, který už bude znamenat nasazení pokročilých EUV strojů s High-NA optikou (viz 3. kapitola). Dál už nevidíme. 

 

 

 

Samsung má velké ambice stát se světově největším výrobcem čipů a vystřídat na první příčce Intel, což se bude měřit dle tržeb a vypadá to, že tato změna (opět) nastane právě během aktuálního kvartálu. A už ve své nové pozici chce Samsung jako vůbec první firma na světě dostat na trh čipy, které budou tvořeny tranzistory typu MBCFET, což je jen jiné označení pro typ GAAFET s tím, že už jasně označuje typ s nanosheet, čili se širokými kanály (viz 4. kapitola).

 

 

Tento revoluční krok je jasně nalinkovaný a v roadmapách Samsungu jasně označený, takže firma se o něm pravidelně zmiňuje ve svých plánech, kde bylo také několikrát potvrzeno, že GAAFET budou využity už v rámci 3nm procesů. A nedávno jsme se dozvěděli, že by to měl být konkrétně 3GAP (Plus), čili verze pro výkonnější čipy, jemuž by ale měl snad předcházet 3GAE (Early), ale o tom jsme se nedozvěděli. 

 

Uvidíme, zda se dozvíme nějaké konkrétní informace o tom, jaké výhody mají nové tranzistory Samsungu oproti Intelu a produktům z továren TSMC poskytnout. To bychom mohli také poznat na vyšším zájmu o výrobní kapacity Samsungu, který by mohl mít Intel, AMD i NVIDIA, ale ta je využívá už dnes. 

 

Samsung se tak bude snažit vytvořit si brzkým nasazením GAAFET náskok před ostatními, což jistě znamená jisté riziko. Zdá se však, že vývoj pokračuje dobře, jak se dá soudit i ze zprávy ze začátku tohoto roku, dle níž se povedlo vytvořit první čipy s novými tranzistory, ale jak se bude dařit ladit výrobu do podoby, která bude komerčně využitelná a nabídne dostatečně dobrou výtěžnost, to se teprve ukáže. Uvidíme příští rok. 

 

 

 

Nakonec tu máme společnost TSMC, která své továrny na rozdíl od Intelu a Samsungu nevyužívá pro žádné své účely a čistě jen nabízí výrobní kapacity jiným firmám. Dle toho se tak označuje anglickým termínem pure-play foundry a jako taková nás i často informuje o svých plánech. 

 

 

Roadmap firmy TSMC je tak velice důležitá pro firmy AMD, NVIDIA a dnes již v podstatě i pro Intel, takže TSMC výrazně ovlivňuje i bude ovlivňovat produktovou skladbu PC hardwaru na trhu. My se můžeme už pomalu těšit na přechod na 5nm proces, respektive procesy, neboť vedle N5 tu budou jako obvykle i další specializované verze jako N5P či N5HPC. 

 

S nástupem 5nm čipů vstoupí PC do éry EUVL, která se jim doposud vyhýbala, protože pokud víme, ani AMD a ani NVIDIA nevyužívá proces N7+ či pokročilejší a Intel samozřejmě čeká EUVL až s nástupem jeho vlastního 7nm procesu. Dočkat se můžeme samozřejmě také čipů pro PC tvořených procesy N6 (odvozený z N7) či N4 (odvozený z N5) a v tomto ohledu není nic rozhodnuto, zvláště pokud jde o spotřební hardware. Ale co bude dál? 

 

Další hlavní krok po N5 bude pro TSMC představovat N3, jenž bude k dispozici v druhé polovině příštího roku a TSMC tím Samsung možná o pár měsíců předežene. Ovšem zde je právě ten zásadní rozdíl, že TSMC chce u svého N3 ještě využívat tranzistory FinFET, zatímco Samsung už přejde na GAAFET a teprve čas ukáže, jak moc nerozvážné toto rozhodnutí bylo. 

 

Pak už ale nechce na nic čekat ani TSMC. V dalším kroku to bude totiž již 2nm GAA proces, na nějž později možná naváže už dokonce 1nm technologie. Tím jsme se dostali až na konec viditelné cesty, za nějž se firmy ve svých veřejně diskutovaných plánech dosud nepouštějí. Přijde snad éra pikometrů? Nebo pak už snad firmy opravdu narazí na fyzické hranice dané velikostí atomů? Nanometrové označování je dnes už sice záležitost marketingu, ovšem to nic nemění na tom, že nové procesy většinou nabízejí vyšší tranzistorovou hustotu, takže je pak jednoduše musí tvořit celkově menší a v podstatě je jedno, jakým způsobem se toho dosáhne. Krajní mez se ale blíží.