Výtěžnost 3nm procesu Samsungu je ještě horší než u 4nm výroby
3nm proces Samsungu bude historicky prvním komerčně dostupným procesem využívajícím technologii GAA / MBCFET. Přípravy ale nejdou hladce a Samsung nebude letos schopný proces komerčně zpřístupnit…
V poslední době slýcháme negativní zprávy o 4nm procesu společnosti. Ten je de facto přejmenovanou pokročilou verzí 5nm výroby (proces 4LPE [= low-power early] se v roadmapě objevil se zmizením procesu 5LPA [=low-power advanced] a měl prakticky stejné parametry). Za přejmenováním mohla stát snaha o marketingové vyzdvižení vlastního SoC Exynos 2200, který jej jako první využil. Proces však nedosáhl požadovaných provozních vlastností (poměr spotřeba / výkon), v důsledku čehož musely být taktovací frekvence SoC podstatně sníženy a z klíčové generace, která měla převálcovat konkurenci, se stal další high-endový produkt, který není špatný, ale konkurenci příliš neválcuje. Druhým zásadním problémem 4nm procesu je výtěžnost, o níž se mluvilo hlavně v souvislosti s Qualcomm Snapdragon 8 Gen 1, který je prvním zakázkově vyráběným produktem na tomto procesu. Výtěžnost podle nejoptimističtějších zpráv (možná ne již plně aktuálních) dosahuje 35 %, což je u malých mobilních SoC dost slabé).
Bohužel 3nm proces společnosti, který měla letos pustit do zakázkové sériové výroby, na tom co do výtěžnosti není lépe - výsledky mají být naopak horší. Přesto si troufám říct, že v kontextu 3nm výroby to není až taková pohroma jako v kontextu 4nm výroby, která je derivátem předchozích procesů postavených na odzkoušených technologiích a jako taková by na tom neměla být úplně katastroficky. Naproti tomu 3nm proces stojí na zcela nové technologii GAA (Gate All Around), konkrétně Samsungem vyvinuté variantě MBCFET.
Technologie GAA vychází z předpokladu, že čím větší kontaktní plochu má kanál s hradlem tranzistoru, tím lépe, takže proměňuje kanál v sérii nanodrátů procházející hradlem. Aby Samsung mohl myšlenku implementovat s použitím dostupných výrobních prostředků, tak tyto dráty zploštil, čímž dal vzniknout technologii, kterou nazývá MBCFET.
I přes zpoždění se mu zatím daří být průkopníkem v implementaci této myšlenky. Intel plánuje technologii nasadit v roce 2024 (říká jí RibbonFET, ale v základu jde rovněž o MBCFET) a u TSMC je s jistotou známé jen to, že 3nm generace bude čistě FinFET, takže GAA (ať v už v jakékoli formě) přijde nejdříve se 2nm generací (nevíme, zda hned s jejím nástupem, nebo v průběhu - jako tomu bylo třeba s nasazením EUV u 7nm výroby).
Samsung ohlásil dvě verze 3nm procesu. 3GAE (GAA Early) a 3GAP (GAA Performance). Loni začátkem léta z roadmapy společnosti vypadl 3GAE původně zakreslený na rok 2022. Z toho média vyvodila, že došlo ke zrušení této verze procesu, což však Samsung nepříliš obratně dementoval. Prý neměl být zrušen, ale pouze „stažen z nabídky“. Když z toho následně média vyvodila, že ho zřejmě použije jen pro sebe a nenabídne k zakázkové výrobě, došlo zase na vyjádření, že v polovině roku 2022 na něm Samsung zahájí výrobu pro partnery (v množném čísle). Nyní se dozvídáme, že z důvodu nízké výtěžnosti a celkového zpoždění v letošním roce Samsung nezahájí zakázkovou 3nm výrobu a proces bude využívat pouze sám. Jinými slovy to dopadlo tak, jak dedukovala média.
| Samsung | |||
| proces | denzita | výkon | spotřeba |
|---|---|---|---|
| 7nm LPP (2. gen) | - | ? | ? |
| 7nm (3. gen) | +17% vs. 7LPP | ? | ? |
| 6nm LPP | +10 % vs. 7LPP | ? | ? |
| 5nm LPE | +25% vs. 7LPP +33 % vs. LPP | +10 % vs. 7LPP | -20 % vs. 7LPP |
| 4nm zrušen | „full node“ | ? | ? |
| 3nm (3GAE) | +45 % vs. 7LPP +33 % vs. 7LPP +35 % vs. 5LPE | +30 % vs. 7LPP +10 % vs. 7LPP +35 % vs. 5LPE | -50 % vs. 7LPP -20 % vs. 7LPP -50 % vs. 5LPE |
| 3nm (3GAP) | ? | ? | ? |
| TSMC | |||
| proces | denzita | výkon | spotřeba |
| 7nm (N7) | +59 % vs N10 | ? | -40 % vs. N10 |
| 7nm (N7P) | ? | +7 % vs. N7 | -10 % vs. N7 |
| 7nm+ (EUV / N7+) | +20 % vs. N7 | +10 % vs. N7 | -15 % vs. N7 |
6nm (N6) | +18 % vs. N7 | ? | ? |
| 5nm (N5) | +80 % vs. N7 | +15 % vs. N7 | -30 % vs. N7 |
| 5nm (N5P) | ? | +7 5 % vs. N5 | -10 % vs. N5 |
| 4nm (N4) | +6 % vs. N5 | téměř beze změny | beze změny |
| 4nm (N4P) | +6 % vs. N5 | +11 % vs. N5 +6 % vs. N4 | -22 % vs. N5 |
| 4nm (N4X) | ? | +15 % vs. N5 @1,2V +4 % vs. N4P @1,2V | ? |
| 3nm (N3) | +70 % vs. N5 3× vs. N7 | +10-15 % vs. N5 +32 % vs. N7 | -25-30 % vs. N5 -51 % vs. N7 |
| 3nm (N3B) | ? | ? | ? |
| 3nm (N3E) | +60 % vs. N5 -8 % vs. N3 | vyšší než N3 | nižší než N3 |
| 2nm (N2) | +70% vs. N3? | ? | ? |
Charakteristiky 3nm procesu Samsungu jsou podle různých zdrojů velmi různé; první je nejstarší a pochází od Samsungu (některá srovnání jsou vztažena k 7nm a jiná k 5nm procesu)
Některé recentní články o situaci kolem 3nm procesu Samsungu spekulují o tom, že 3nm proces Samsungu bude provozními vlastnostmi lepší než 3nm proces TSMC (viz např. zpráva BusinessPost a četné články vzniklé na její bázi). Tato dedukce stojí na oficiálních číslech: 3nm proces TSMC má zlepšit denzitu o 60 % a výkon o 10 %, nebo spotřebu o 25 %. 3nm proces Samsungu má zlepšit denzitu o 35 % a výkon o 35 %, nebo spotřebu o 50 %. Co autoři těchto článků opomněli, je fakt, že tato čísla nejsou vztažena k žádnému průmyslovému standardu, ale k 5nm procesům těchto výrobců. Tyto procesy jsou velmi odlišné a jejich provozní vlastnosti rovněž. Připomeňme, že provozoní vlastnosti (tedy spotřeba a takty) 4nm procesu Samsungu bývají připodobňovány k 6nm procesu TSMC. Jinými slovy, 5nm proces Samsungu je na tom podstatně hůř než 5nm proces TSMC. Byť jde u 3nm výroby Samsungu mezigeneračně o papírově větší posun, je tento posun vztahován k podstatně horšímu základu.
| EUV | zahájení výroby / tape-out | velkokapacitní výroba | ||
|---|---|---|---|---|
| Samsung | 7nm LPE (1. gen.) |  | ? | nezahájena |
| 7nm LPP (2. gen) | | říjen 2018 | červen 2019 | |
| 7nm (3. gen) | | ? | ? | |
| 6nm LPP | | duben 2019 | H2 2019 | |
| 5nm LPE | | 4. 2019 / H2 2019 | H1 2020 | |
| 5nm LPP | | 2019? | 2021 | |
| 4nm LPE (původní) | | ? | 2020/21 zrušen | |
| 4nm LPP (původní) | | ? | 2022 zrušen | |
| 4nm LPE | | 2021? | 2022 | |
| 4nm LPP | | ? | ? | |
| 3nm (3GAE) | | Q4 2021 | H2 2022 jen interně | |
| 3nm (3GAP) | | ? | 2023 | |
| TSMC | 7nm (N7) |  | leden 2017 | duben 2018 |
| 7nm (N7P) | | ? | ? | |
| 7nm EUV (N7+) | | říjen 2018 | červen 2019 | |
| 6nm | | Q1 2020 | ? | |
| 5nm (N5) | | duben 2019 | H1 2020 | |
| 5nm (N5P) | | ? | 2021 | |
| 4nm (N4) | | Q3 2021 | Q1 2022 | |
| 4nm (N4P) | | H2 2022 | H2 2022 | |
| 4nm (N4X) | | H1 2023 | 2023 | |
| 3nm (N3) | | Q4 2021 | H2 2022 | |
| 3nm (N3B) | | ? | H2 2022 | |
| 3nm (N3E) | | ? | Q3 2023→Q2 2023 | |
| 2nm (N2) | | 2023? 2024? | 2024? 2025 |
Nasazení 3nm procesu pro zakázkovou výrobu tudíž nelze čekat dříve než v příštím roce. Z dosavadních informací se nezdá, že by poptávka byla příliš vysoká. Společnosti Nvidia i Qualcomm podle dostupných informací spolupráci se Samsungem (z hlediska nadcházejících procesů) ukončily.
Starší zprávy uváděly, že by po vyřešení výtěžnosti mohla mít zájem o 4nm a 3nm proces Samsungu společnost AMD. Po celý letošní rok se však o této spolupráci neobjevila žádná nová zpráva, takže je možné, že vzhledem k pomalému pokroku v řešení výtěžnosti jsou tyto plány pasé, nebo přinejmenším odložené.
Zdroje:
