Все о техпроцессах TSMC — от микрометров до нанометров

TSMC не зря называют кузницей ИИ-индустрии — компания, ставшая пионером в области контрактного производства процессоров, но в которую никто не верил, сумела за почти 40 лет существования стать абсолютным монополистом в области выпуска самых технологичных кристаллов для CPU, GPU, NPU и других современных чипов. Все лидеры рынка вычислительных систем, от AMD с Nvidia до Apple с Broadcom буквально сидят на игле TSMC, и вряд ли смогут с нее когда-либо слезть. Однако, несмотря на такую важную роль на рынке вычислительных технологий, мало кто задумывается, как тайваньская фабрика прошла путь от 3 мкм до 2 нм, какие технологии она продвигала и какие технологические процессы она выпускала за все это время. Об этом и многом другом в этой статье расскажут специалисты компании ServerFlow.

Человек, определивший облик современной микроэлектроники — всеми известный Моррис Чанг, которому на сегодняшний день уже исполнились почетные 94 года. Именно этот человек когда-то бок о бок работал с Джеком Килби, Нобелевским лауреатом и изобретателем первых в мире электронных микросхем. Проработав в Texas Instruments целых 25 лет и дослужившись до главы полупроводникового направления, в середине 80-х Моррис покинул компанию и вскоре принял эксклюзивное приглашение от правительства Тайваня: возглавить исследовательский институт ITRI и создать с нуля при сотрудничестве с корпорацией Philips компанию, которая будет не разрабатывать собственные чипы, а производить их для внешних клиентов, которые приносят собственные чертежи. 

Эта концепция получила название pure-play foundry, и в конце 80-х, на заре индустрии микроэлектроники, эта идея казалась безумием — все считали, что если ты хочешь добиться успеха, тебе обязательно нужен свой собственный, прорывной микропроцессор, конкурирующий с Intel 80386. Но Чанг понимал: растущее количество дизайн-центров по всему миру не хочет и не может строить собственные заводы, а делать их где-то все равно нужно. Так в 1987 году и появилась Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, которая ныне известна всем под лаконичной аббревиатурой TSMC, и ее самым первым технологическим узлом стала лицензированная у компании Philips 3-мкм CMOS-технология. Именно с нее все и началось. 

Первые годы TSMC работала на относительно простых планарных CMOS-процессах с характерными размерами порядка микронов. Сегодня это звучит архаично, но тогда каждое уменьшение шага давало серьезный прирост количества транзисторов на кристалл — тогда Закон Мура все еще работал, как швейцарские часы. Кремниевые пластины делали диаметром в 100 или 150 мм, но даже таких относительно небольших габаритов хватало для выпуска тысяч микрочипиков, которые умещались на кончике мизинца.

Стартовая технология 3 мкм (1987) базировалась на i-line литографии с длиной волны 365 нм. Стоит уточнить, что 3 мкм, или 3000 нм — это далеко не уровень лидеров полупроводникового рынка, например, компании UMC (основатель которой утверждал, что Чанг украл его идею pure-play foundry), которая уже в 1987 году выпускала решения на техпроцессах 1-0,8 мкм. Да, не густо, но для местных тайваньских заказчиков даже такого уровня более чем хватало. Первые заказы на техпроцессе 3 мкм TSMC — простые микроконтроллеры, чипсеты и примитивные ASIC для бытовых и промышленных устройств. С этим незаурядным технологическим багажом, TSMC начала набивать руку, чтобы совершить скачок к новым рубежам.

Буквально в первый же год TSMC освоила 2 мкм (1987), затем 1.5 мкм (1988) и 1.2 мкм (1989). Реального технологического скачка здесь еще не было: все это эволюционное уменьшение размеров транзисторов с небольшим ростом плотности. Однако именно в этот период были заложены основы работы с крупными заказчиками и было сокращено серьезное отставание от конкурентов. На мощностях TSMC начали печататься графические чипы S3 Graphics и Trident, а также чипсеты для материнских плат — рынок, который тогда рос как на дрожжах.

К 1991 году был покорен рубеж 1 мкм, а следом и 0.8 мкм. Последний узел уже размывал грань между микронами и субмикронами. Здесь TSMC впервые применила более совершенную i-line-литографию с улучшенными степперами и начала эксперименты с рефлективными покрытиями. Хотя на этих процессах не печатались легендарные CPU (Intel и AMD тогда имели собственные фабрики), TSMC уже вовсю обслуживала перспективных клиентов вроде Cyrix, которые позже попытаются бросить вызов Intel на рынке x86-совместимых процессоров. 

К середине 90-х TSMC входит на территорию, где звучит гордая приставка “субмикрон”. Здесь начали применяться литографические источники с глубоким ультрафиолетом (DUV, 248 нм), а затем и первая иммерсионная литография. Именно в этот период TSMC совершила два технологических прыжка, которые на десятилетия определили облик полупроводниковой индустрии.

Первый прорыв — освоение 0.35 мкм (1995) и 0.25 мкм (1997). На 0.25 мкм TSMC впервые предложила клиентам 5-слойную металлизацию и перевела производство на DUV-литографию с KrF-эксимерными лазерами (248 нм), что позволило резко увеличить масштабы чипов. Именно на этих техпроцессах начали массово выпускаться ранние GPU от Nvidia RIVA 128, RIVA TNT и легендарная RIVA TNT2.

Второй прорыв — переход от алюминиевой металлизации к медной на рубеже 0.18 мкм (1999). Медь с ее низким сопротивлением дала возможность поднять плотность тока и снизить нагрев межсоединений. Одновременно внедрялся процесс химико-механической планаризации (CMP) и low-k диэлектрики для изоляции медных дорожек. Именно на 0.18 мкм были выпущены первые представители семейства GPU NVIDIA GeForce 256 и GeForce 2 GTS, которые впервые закрепили доминирование Nvidia на рынке видеокарт. Чуть позже на 0.18 мкм вышли и ранние чипы ATI Radeon (R100), начавшие войну красных и зеленых, хоть пока и без участия AMD.

На 0.13 мкм (2001) TSMC добавила еще более совершенные low-k материалы для снижения паразитных емкостей между медными дорожками. Это позволило продолжить гонку тактовых частот. Здесь увидели свет GeForce 4 Ti и старшие модели GeForce FX , пусть и не самые удачные с точки зрения тепловыделения.

К началу 2000-х индустрия уже не укладывалась в микроны, и отсчет пошел в нанометрах, и именно это позволило TSMC постепенно начать закрепляться в качестве лидера контрактного производителя полупроводниковов.

В 2003 году появился первый 90-нм техпроцесс, где впервые вместо токопроводящих кристаллов начал применяться напряженный кремний. Растяжение или сжатие кристаллической решетки кремния увеличивает подвижность носителей заряда, что дает прирост производительности без роста токов утечки. Для литографии все еще применяли пресловутый DUV с длинной волны 193-нм, но уже с новыми технологическими наворочками, вроде фазосдвигающих масок и оптической коррекцией близости луча. На 90 нм TSMC родились NVIDIA GeForce 7800 GTX, а также процессоры Sony — чип Cell для PlayStation 3 частично производился на фабрике TSMC, так что скажите спасибо Моррису за теплые воспоминания из нулевых!

65 нм (2005) продолжил использовать напряженный кремний и еще больше углубился в иммерсионную литографию 193i на ключевых слоях микросхем. Интересно, что на этом этапе TSMC начала применять водяную прослойку между линзой литографа и кремниевой пластиной — вода преломляла свет и концентрировала его в одной точке, что позволяло печатать еще более мелкие структуры без перехода на EUV. На 65 нм из-под пера TSMC вышла легендарная NVIDIA GeForce 8800 GTX/GTS, которая стала первой видеокартой с интегрированными CUDA-ядрами, что позволило использовать GPU не только в графике, но и в серьезных вычислениях (GPGPU).

После перехода 40 нм (2008) у TSMC начались первые проблемы с выпуском годных чипов (помните супергорячие и дефицитные Radeon HD 4770 или Nvidia Fermi), поэтому фабрика решила не долго мучиться с ним и бросить все силы на разработку 28 нм (2011). 28 нм стал первым TSMC-процессом с технологией high-k metal gate (HKMG), которая резко снизила паразитные токи и позволила продолжить масштабирование размеров транзисторов и повышение частот. 28 нм прожил необычайно долгую жизнь. На нем вышли NVIDIA GeForce GTX 680 (Kepler), AMD Radeon HD 7970 (Tahiti), а также мобильные процы Qualcomm Snapdragon 800/801, Apple A7 и десятки чипов MediaTek. Даже сейчас, спустя полтора десятилетия, простые микроконтроллеры и чипы для IoT продолжают выпускаться на 28 нм — это принесло TSMC колоссальную маржу и сделало узел легендарным.

На этапе 28 нм планарные транзисторы почти исчерпали себя: канал настолько истончился, что утечки становились катастрофическими. Спасительным решением стал трехмерный транзистор — FinFET, где канал поднимается вертикальным плавником (fin), а затвор охватывает его с трех сторон, обеспечивая гораздо лучший электростатический контроль. TSMC не была первой: Intel внедрила FinFET еще на 22 нм в 2011 году, но TSMC реализовала его прагматично, без спешки, и в итоге захватила рынок.

Перед FinFET случился короткий и почти трагический эпизод — 20 нм (2014). Это был последний планарный узел TSMC, который обеспечивал двукратный рост плотности по сравнению с 28 нм благодаря двойному патернингу. Но из-за огромных утечек он оказался совершенно непригоден для высоких частот. Единственным громким чипом стал Apple A8 (iPhone 6), и то потому, что для мобильной SoC мегагерцы не так критичны. Остальные клиенты терпеливо ждали FinFET.

Первый FinFET-узел TSMC, 16 нм (2014), вышел в двух вариантах: 16FF (FinFET) и улучшенный 16FF+. Транзисторы получили вертикальные кремниевые плавники высотой около 30 нм, что дало резкое снижение утечек и рост производительности. На 16FF+ были построены: NVIDIA GeForce GTX 1080 (Pascal, GP104) — карта, которая перевернула рынок своей энергоэффективностью, Apple A9 (совместно с Samsung 14 нм, причем версия TSMC оказалась холоднее и экономичнее), A10 Fusion, а также серверный Tesla P100 с памятью HBM2. Узел также включал 16FFC — оптимизированный вариант для бюджетных чипов.

Далее последовал 10 нм (2016) — короткоживущий, но рекордно плотный узел с теми же FinFET, но еще меньшими плавниками и агрессивным мультипаттернингом. На нем вышли Apple A11 Bionic (iPhone 8/X), несколько мобильных SoC MediaTek (Helio X30). Однако дороговизна и низкая зрелость 10 нм привели к тому, что большинство клиентов осталось на 16 нм, дожидаясь более сбалансированного 7 нм.

К 2018 году дальнейшее сжатие DUV-литографией потребовало бы такого количества масок и этапов обработки, что себестоимость производства стала бы запредельной. Прорывом стал долгожданный переход на экстремальный ультрафиолет (EUV) с длиной волны 13.5 нм. EUV позволяет печатать мельчайшие элементы за одну экспозицию, резко упрощая техпроцессы, но сохраняя высочайшую плотность размещения транзисторов. Но внедрение шло постепенно.

Сначала вышел N7 (7 нм) в 2018 году — еще на DUV-литографии (193i) с многократным патернингом, но с огромным приростом плотности относительно 16 нм. FinFET остались, но плавники стали выше и тоньше. На N7 были построены Apple A12 Bionic, AMD Ryzen 3000 (Zen 2) и Radeon RX 5700 (Navi), а также NVIDIA A100 (Ampere) для дата-центров — правда, NVIDIA для потребительских RTX 30 выбрала Samsung 8N. EUV впервые ограниченно применили в N7+ (2019), а затем полноценно в N5 (2020). 5 нм дал еще в 1,8 раза большую плотность и 30% снижение энергопотребления благодаря EUV на многих слоях и новым материалам. На N5 были созданы Apple A14, революционные M1 (первый десктопный ARM-чип Apple), M2, AMD Ryzen 7000 (Zen 4), NVIDIA RTX 40 (Ada Lovelace) и NVIDIA H100/H200 на кастомном узле 4N (оптимизированная версия N5), а также Intel Arc GPU (на N6 — производной N5). Фактически при использовании N5 все ведущие игроки рынка вычислений, кроме Intel, стали клиентами TSMC.

Современный техпроцесс 3 нм (N3) появился в 2022-2023 годах. Формально это еще FinFET, но с фирменной технологией FinFlex, позволяющей дизайнерам комбинировать на одном чипе ячейки с разной шириной для оптимального соотношения производительности и плотности. Ранний вариант N3B используется в чипах Apple A17 Pro, а более массовый N3E с лучшим выходом годных пошел на Apple M3, M4, M5, AMD Zen 5 и GPU Nvidia Blackwell.

FinFET, пусть и в блестящем исполнении TSMC, тоже имеет предел масштабирования. На этапе 2 нм, к которому компания готовится с 2025 года, планарно-вертикальный плавник уступает место нанолистовым транзисторам (gate-all-around, GAA). В GAA-транзисторе канал состоит из нескольких горизонтальных нанолистов кремния, полностью окруженных затвором со всех четырех сторон. Это дает идеальный электростатический контроль, позволяет дальнейшее уменьшение размеров и снижение напряжения питания.

Помимо нанолистов, он впервые включает технологию backside power delivery (BSPDN) — подачу питания с обратной стороны кристалла. Сигнальные линии остаются на лицевой стороне, а толстые питающие шины переносятся на тыльную, что освобождает место и дополнительно повышает плотность и энергоэффективность. На передовом N2 будут выпускаться новейшие центральные процессоры AMD EPYC Venice 9006, графические ускорители Nvidia Vera Rubin, а в самом конце очереди стоит Apple с потребительскими чипами A20. Переход на GAA — это фундаментальное изменение транзисторной архитектуры, сравнимое по значимости с внедрением FinFET десятилетием ранее. Вместе с EUV-литографией сверхвысокого разрешения (High-NA EUV в перспективе) это откроет дорогу к техпроцессам вплоть до 1 нм и далее, которые увидят свет ближе к 2030 годам.

TSMC это, наверное, одна из самых ярких демонстраций “Азиатского технологического чуда”. От скромной фабрики, которую западные IT-гиганты эксплуатировали как еще одного поставщика чипов на аутсорсе, TSMC смогла добиться абсолютного господства, и теперь ее технологические узлы определяют график выхода новых процессоров, видеокарт и ИИ-ускорителей по всему миру. Без TSMC не случились бы ни iPhone, ни GeForce RTX, ни EPYC и ни Hopper. Каждая эпоха — микроны, FinFET, EUV и теперь GAA — была одновременно и ответом на запросы рынка, и причиной появления новейших вычислительных систем. Это замкнутый уроборос, который порождает все новые и новые технологические прорывы, многие из которых еще впереди. И хотя монополия такого уровня вызывает вопросы у регуляторов, факт остается фактом — на ближайшие годы вся передовая кремниевая электроника по-прежнему будет печататься с пометкой “Made by Taiwan”.