Производство современных транзисторов: почему только TSMC и Samsung справляются с 3-нм техпроцессом

Главная технологическая сложность 3-нм техпроцесса заключается в том, что традиционная архитектура транзисторов, известная как FinFET (Fin Field-Effect Transistor), достигла своего физического предела. FinFET, используемая с 22 нм, представляет собой трехмерную структуру, где затвор окружает канал транзистора с трех сторон, что позволяет лучше контролировать ток и снижать утечки. Однако для дальнейшего масштабирования, снижения энергопотребления и повышения производительности на 3 нм этого оказалось недостаточно. Именно здесь пути двух лидеров разошлись, определив их стратегические преимущества и риски.

TSMC для своего первого поколения 3-нм техпроцесса (N3, N3E) выбрала более консервативный, но надежный путь – глубокую оптимизацию уже освоенной архитектуры FinFET. Это решение позволило TSMC быстрее выйти на массовое производство, используя более зрелые инструменты и процессы. Преимущество TSMC – высокая скорость освоения, быстрый выход на стабильно высокий выход годных чипов (Yield), что критически важно для крупных заказчиков, таких как Apple. По сравнению с 5 нм, TSMC N3 обеспечивает прирост производительности до 18% при той же мощности и снижение энергопотребления до 32% при той же скорости. Однако FinFET-архитектура не обеспечивает такого же потенциала масштабирования и энергоэффективности, как GAAFET, что заставляет TSMC планировать переход на GAAFET для будущих, еще более тонких норм (2 нм). Плотность транзисторов у TSMC N3 составляет примерно 197–224 млн транзисторов на квадратный миллиметр.

Samsung стала первой в индустрии, кто перешел на новую, более совершенную архитектуру GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor), которую она назвала MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). В GAAFET затвор полностью окружает канал транзистора, обеспечивая максимальный контроль над током. Samsung запустила свой 3-нм техпроцесс (3GAE) на основе GAAFET в 2022 году. Преимущество GAAFET в том, что он позволяет регулировать ширину канала, что дает инженерам беспрецедентную гибкость в оптимизации производительности и энергопотребления. Samsung заявляет о потенциальном снижении энергопотребления до 45% и повышении производительности до 23% по сравнению с 5 нм. Однако переход на совершенно новую архитектуру привел к серьезным проблемам с освоением и низким выходом годных чипов на ранних этапах, что отпугнуло некоторых крупных клиентов. Плотность транзисторов у первого поколения Samsung 3GAE ниже, чем у TSMC N3, и составляет примерно 135-170 млн транзисторов на квадратный миллиметр.

Невозможно говорить о 3-нм техпроцессе, не упомянув ASML – нидерландскую компанию, которая обладает монополией на производство литографических сканеров, необходимых для создания столь тонких структур. Для 3-нм и более тонких норм требуется экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV). EUV-сканеры используют свет с длиной волны всего 13,5 нм, что позволяет "рисовать" на кремниевой пластине невероятно мелкие элементы. Только ASML производит коммерчески доступные EUV-сканеры. Стоимость одной такой машины может превышать 200 миллионов долларов США, а ее обслуживание требует уникальных знаний и инфраструктуры. Фактически, доступ к 3-нм техпроцессу определяется доступом к EUV-сканерам ASML. TSMC и Samsung являются крупнейшими клиентами ASML, что позволяет им первыми получать новейшее оборудование. Это создает непреодолимый технологический барьер для конкурентов, таких как китайская SMIC, которая сталкивается с экспортными ограничениями на поставку EUV-оборудования. Таким образом, TSMC и Samsung справляются с 3-нм техпроцессом не только благодаря собственным разработкам, но и благодаря эксклюзивному доступу к критически важному оборудованию, которое является результатом многомиллиардных инвестиций и десятилетий исследований.

Технологический барьер неразрывно связан с экономическим. Стоимость разработки и производства чипов на 3 нм достигла беспрецедентного уровня, что сократило число потенциальных заказчиков и производителей. Разработка нового техпроцесса, включая исследования, создание прототипов и отладку, обходится в миллиарды долларов. Например, общая стоимость разработки 3-нм техпроцесса для TSMC оценивается в сумму, превышающую 15 миллиардов долларов. Такая финансовая нагрузка по силам только гигантам с огромными оборотами и поддержкой крупнейших мировых заказчиков. Строительство современного завода (фабрики) для производства 3-нм чипов требует инвестиций в размере 20-30 миллиардов долларов. Это делает полупроводниковое производство одним из самых капиталоемких в мире. Цена одной кремниевой пластины (wafer) с 3-нм чипами, по оценкам, превышает 20 000 долларов США. Для сравнения, пластина 28-нм техпроцесса стоит менее 3 000 долларов. Из-за высокой стоимости разработки и производства, только несколько компаний в мире могут позволить себе заказывать чипы на 3 нм. В основном это Apple, NVIDIA, AMD и, в перспективе, Intel для своих внешних заказов. Это объясняет, почему TSMC и Samsung могут позволить себе такие инвестиции – они уверены в наличии гарантированных, высокомаржинальных заказов.

Доминирование TSMC и Samsung на 3-нм техпроцессе имеет огромное геополитическое значение. Тайвань, где расположена TSMC, часто называют "кремниевым щитом" (Silicon Shield), поскольку его технологическое превосходство является ключевым фактором в мировой политике. Передовые чипы на 3 нм используются в критически важных областях, таких как Искусственный интеллект (ИИ), высокопроизводительные вычисления (HPC) и военные технологии. Контроль над производством 3-нм чипов дает Тайваню и Южной Корее колоссальное стратегическое влияние. Американская компания Intel, которая долгое время была лидером в производстве, отстала в гонке техпроцессов. Однако Intel предпринимает активные шаги, чтобы догнать TSMC и Samsung, запуская собственное контрактное производство (Intel Foundry Services). Техпроцесс Intel 4 (ранее известный как 7 нм) по своим характеристикам плотности транзисторов сопоставим с 3-нм техпроцессами конкурентов, что демонстрирует попытку Intel "переименовать" свои нормы, чтобы конкурировать на равных. Intel планирует перейти на архитектуру RibbonFET (собственная версия GAAFET) на своих будущих техпроцессах 20A (2 нм) и 18A (1-8 нм), стремясь обойти TSMC и Samsung. Несмотря на амбиции Intel, на данный момент только TSMC и Samsung обладают отлаженным, коммерчески успешным 3-нм производством, что делает их незаменимыми для мировой технологической индустрии.

Доминирование TSMC и Samsung на 3-нм техпроцессе – это результат уникального сочетания факторов. Во-первых, это технологический прорыв – способность освоить или оптимизировать сложнейшие архитектуры FinFET и GAAFET. Во-вторых, эксклюзивный доступ – обладание или доступ к критически важному оборудованию EUV-литографии от ASML. В-третьих, экономический барьер – готовность и возможность инвестировать десятки миллиардов долларов в разработку и строительство фабрик. И, наконец, коммерческая база – наличие гарантированных заказов от крупнейших мировых технологических компаний. Эти факторы создали "клуб двух", вход в который закрыт для всех остальных, что и объясняет, почему только TSMC и Samsung справляются с производством современных транзисторов на уровне 3 нм.