3nm, trở ngại nhỏ đối với TSMC

Vào ngày 13 tháng 9 năm 2023, tại hội nghị ra mắt sản phẩm mới mùa thu của Apple, con chip 3nm đầu tiên trên thế giới A17Pro đã xuất hiện cùng với dòng iPhone15Pro vẫn do người bạn cũ của Apple là TSMC sản xuất. Trước khi phát hành con chip này, mọi người đều đặt nhiều hy vọng vào nó. So với các nút nhỏ như 4nm, 3nm là một quá trình lặp lại quan trọng khác sau 5nm. Nhìn lại lịch sử trong quá khứ, mỗi lần nâng cấp lớn của quy trình sẽ mang lại một cải tiến đáng kể khác về hiệu suất chip và điều này cũng đúng với quy trình 3nm.

Nhưng một tai nạn đã xảy ra. Sự cải tiến của con chip A17Pro được cho là mạnh mẽ này không lớn như mọi người tưởng tượng. Thay vào đó, vấn đề nóng máy của iPhone15Pro đã biến Apple thành "quả thanh long".

Vậy TSMC có phải chịu trách nhiệm về nhiệt độ không?

Tính năng tản nhiệt không thể cưỡng lại được

sẽ sớm ra mắt TSMC đang hỗ trợ nó. Nhà phân tích Ming-Chi Kuo của Tianfeng International hôm nay đã xuất bản một bài báo giải thích vấn đề quá nhiệt hiện tại của iPhone 15 Pro của Apple, nói rằng nó “không liên quan gì đến quy trình 3nm của TSMC”.

Ming-Chi Kuo cho rằng vấn đề quá nhiệt của dòng iPhone 15Pro không liên quan gì đến quy trình 3nm của TSMC. Nó chủ yếu có trọng lượng nhẹ hơn, do đó, người ta đã thỏa hiệp về thiết kế hệ thống tản nhiệt, chẳng hạn như diện tích tản nhiệt nhỏ hơn và việc sử dụng hợp kim titan ảnh hưởng đến hiệu quả tản nhiệt.

Tất nhiên, điều này không có gì sai cả. Theo tháo rời hiện tại thì iPhone 15 Pro vẫn sử dụng bo mạch chủ hai lớp, có chip ROM ở mặt sau và chip baseband ở phía trước. Đây là những con chip tạo ra rất nhiều nhiệt. Đặt chúng lại với nhau giống như để A17 Pro ở cạnh đống lửa trại. Nếu tải lớn thì lửa sẽ lớn hơn. Không chỉ vi xử lý chạy ở tần số giảm mà người dùng sẽ sớm cảm nhận được sức nóng của điện thoại.

Ngoài ra, khung hợp kim titan mà Apple đã quảng bá từ lâu tại hội nghị này thực sự càng làm trầm trọng thêm vấn đề tản nhiệt kém của iPhone ngụy trang. Độ dẫn nhiệt của titan là λ=15,24W/(m.K), tương đương với 1/4 niken, 1/5 sắt và 1/14 nhôm. Độ dẫn nhiệt của các hợp kim titan khác nhau thấp hơn khoảng 50% so với titan nguyên chất. Điều này có nghĩa là iPhone 15 Pro tuy nhẹ hơn nhưng khả năng tản nhiệt lại không tốt bằng khung hợp kim nhôm của iPhone 15 và khung thép không gỉ của iPhone 14 Pro.

Nhưng lời nói của Ming-Chi Kuo không toàn diện. Theo thử nghiệm trong nước của Geek Bay, thời lượng pin của iPhone15Pro và iPhone15ProMax đã thụt lùi so với thế hệ trước, giảm khoảng chục phút. Trên cơ sở dung lượng pin tăng nhẹ, tuổi thọ pin đã bị rút ngắn. Ngoài việc lập kế hoạch hiệu suất của chính bộ xử lý, vấn đề có thể vẫn nằm ở hiệu quả sử dụng năng lượng của chính A17Pro.

Theo phân tích chip của Techinsights, so với A16, diện tích của mỗi lõi hiệu suất và lõi hiệu suất của A17Pro đã giảm 20%, diện tích của mỗi lõi GPU đã tăng 5% và tổng thể lõi GPU đã tăng lên. Nó đã tăng 20% và do sự tiến bộ của quy trình, diện tích tổng thể của chip A17Pro đã tăng lên giảm nhẹ nhưng số lượng bóng bán dẫn đã đạt mức cao mới là 19 tỷ, tăng gần 20% so với 16 tỷ bóng bán dẫn của thế hệ trước. Khả năng hoàn thành một bản nâng cấp lớn như vậy là điều không thể thiếu đối với tiến trình 3nm của TSMC.

Nhưng theo thông báo chính thức của Apple, hiệu năng tổng thể của CPU A17Pro chỉ cao hơn khoảng 10% so với thế hệ trước và hiệu suất GPU tăng 20% phần lớn là do 5 nhân được đổi thành 6 nhân nên chỉ có NPU mới có cải tiến lớn nhất và sức mạnh tính toán đã được nâng cấp từ 17TOPS lên 35TOPS. Không khó để đoán rằng quy mô thực tế của nó đã lớn hơn rất nhiều. Ngoài ra, việc bổ sung bộ điều khiển USB3 mới, đây là những điểm nâng cấp chính của A17Pro và nó vẫn chưa hoàn thành bước nhảy vọt lớn như nhiều người mong đợi.

Khi A17Pro đã mất đi hào quang thần thoại, tiến trình 3nm của TSMC cũng bị đặt dấu hỏi.

FinFET đã hết hơi

Tại sao TSMC, vốn vẫn đang hoạt động trơn tru ở quy trình 4nm, lại chuyển hướng khi đạt đến 3nm?

Ở tiến trình 5nm, cả TSMC và Samsung đều sử dụng công nghệ FinFET (Fin Field Effect Transistor) để điều khiển dòng điện chạy qua bóng bán dẫn. Công nghệ này có thể kiểm soát sự di chuyển của các electron từ “ba phía” (như hình bên dưới). Nếu các electron không được kiểm soát tốt và chạy xung quanh sẽ gây rò rỉ, từ đó làm tăng nhiệt độ của điện thoại.

Để kiểm soát dòng điện tốt hơn, cả hai gã khổng lồ bán dẫn đã phát triển công nghệ kiểm soát sự di chuyển của các electron từ "mọi phía", được gọi là GAA (Gate-All-Around), để ngăn chặn rò rỉ hơn nữa. Tuy nhiên, ở nút 3nm, TSMC chọn tiếp tục sử dụng quy trình FinFET và không chuyển đổi sang GAA cho đến 2nm. Samsung là hãng đầu tiên giới thiệu GAA ở tiến trình 3nm. Mặc dù chưa được sản xuất hàng loạt nhưng nó được kỳ vọng sẽ cung cấp mật độ và mức tiêu thụ điện năng tốt hơn FinFET.

Năm 2011, Intel lần đầu tiên áp dụng công nghệ FinFET 22nm cho bộ xử lý vi kiến ​​trúc IvyBridge. Năm 2014, TSMC và Samsung lần đầu tiên đưa công nghệ FinFET vào quy trình 16/14nm. Trong những năm tiếp theo, FinFET trở thành công nghệ phổ biến ở nhiều nhà máy sản xuất wafer. Các quy trình phẳng truyền thống không thể đáp ứng nhu cầu của các quy trình tiên tiến và Định luật Moore một lần nữa được mở rộng.

Nhưng trong vòng vài năm, dưới quy trình 7nm, vấn đề rò rỉ tĩnh điện ngày càng trở nên nghiêm trọng. Mức tiêu thụ điện năng và hiệu suất của quá trình phát triển ban đầu dần dần biến mất. FinFET không thể đáp ứng nhu cầu của quy trình 3nm trở lên. Theo sự đồng thuận của mọi người, thời điểm giới thiệu GAA đã trở thành tâm điểm chú ý của nhiều người. Intel và TSMC chọn tiếp tục sử dụng FinFET trên tiến trình 3nm, trong khi Samsung, vốn đang gặp bất lợi trong cạnh tranh, đã quyết định giới thiệu công nghệ GAA trên tiến trình 3nm nhằm nỗ lực giành được nhiều khách hàng hơn.

Tại Hội nghị chuyên đề công nghệ TSMC vào tháng 8 năm 2020, TSMC tuyên bố rằng họ đã thực hiện một bản cập nhật lớn cho công nghệ FinFET của mình. N3 hoặc 3nm sẽ sử dụng phiên bản FinFET mở rộng và cải tiến với hiệu suất tăng lên tới 50%, mức tiêu thụ điện năng giảm tới 30% và mức tăng mật độ cao hơn 1,7 lần so với N5. Tuy nhiên, cần lưu ý ở đây rằng so sánh này chỉ là so sánh giữa N3 và N5 thế hệ đầu tiên. Sau khi N5 được nâng cấp lên N4 mới nhất sau nhiều lần lặp lại, sự cải tiến thực tế không hề tuyệt vời như công bố tại hội thảo.

Nhìn lại GAA, TSMC gọi nó là nanosheetFET và Intel gọi nó là RibbonFET. Bản chất của các công nghệ này là như nhau, đó là xoay vây FinFET 90°, sau đó xếp chồng nhiều vây theo chiều ngang. Lên trên, các vây này đều đi qua cổng - hoặc bị cổng bao quanh hoàn toàn nên gọi là cổng xung quanh; ngoài ra, mỗi vây lật giống như một tấm (sheet), đều là kênh nên còn gọi là nanosheetFET.

Từ quan điểm cấu trúc, vùng tiếp xúc giữa cổng và kênh của bóng bán dẫn GAAFET đã trở nên lớn hơn và có tiếp điểm ở mỗi bên, cho phép điều khiển chuyển mạch tốt hơn so với FinFET. Và đối với FinFET, chiều rộng của vây là một giá trị cố định; nhưng đối với GAAFET, chiều rộng của trang tính và chiều rộng kênh hiệu quả rất linh hoạt. Tấm rộng hơn đương nhiên sẽ đạt được dòng điện và hiệu suất truyền động cao hơn, trong khi tấm hẹp hơn sẽ chiếm diện tích nhỏ hơn.

Lý do TSMC không sử dụng GAA trong 3nm không khó hiểu, về chi phí và công nghệ. Cái giá phải trả là vốn đầu tư vào các nhà máy mới, cơ sở vật chất mới và công nghệ, chẳng hạn như khả năng di chuyển lỗ thấp hơn trong các kênh dựa trên silicon, dẫn đến hiệu suất pFET kém. IBM đã tuyên bố tại IEDM trước đó rằng giải pháp cho vấn đề này nằm ở vật liệu kênh silicon germanium (SiGe) của pFET có thể tạo ra ứng suất nén: “Kênh silicon germanium pFET có thể đạt mức tăng độ linh động 40%, so với kênh dựa trên silicon có lợi thế hiệu suất 1 0% và có điện áp ngưỡng (Vt) thấp hơn, đồng thời hiệu suất không ổn định nhiệt độ phân cực âm (NBTI) cũng được cải thiện. "

Tất nhiên, lợi ích của GAA là không rõ ràng và cũng có thể là của TSMC. Một trong những mối lo ngại là trước đây Samsung đã nói về quy trình 3nmGAA, quy trình này có lợi thế về tần số và mức tiêu thụ điện năng so với 4nmFinFET, như trong hình bên dưới, nhưng hình này không cung cấp giá trị tuyệt đối và tương đối. Nó chỉ nói chung rằng so với các bóng bán dẫn 4nmFinFET, 3nmGAA có thể đạt được tần số cao hơn với cùng độ rộng kênh hiệu dụng (Weff, chiều rộng của vây/tấm × số lượng vây/tấm); đồng thời, nó có thể đạt được mức tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Nhiều lý do khác nhau đã khiến TSMC quyết định sử dụng GAA ở tiến trình 2nm. 3nm trở thành thế hệ cuối cùng của FinFET, đồng thời mở đường cho sự lật đổ của A17Pro.

Điều nghiêm trọng hơn tất nhiên là vấn đề năng suất. Theo dữ liệu từ HiInvestment&Securities, hiệu suất 3nm của Samsung ước tính đạt hơn 60%. Để so sánh, hiệu suất 3nm của TSMC là khoảng 55%. Hiệu quả của công nghệ mới gần như tương đương với công nghệ cũ. Tỷ giá không đổi khiến mọi người nhớ đến "thỏa thuận ngọt ngào" giữa Apple và TSMC đã bị lộ cách đây vài tháng: Apple đã đặt hàng rất lớn chip 3nm với TSMC, nhưng yêu cầu chi phí cho những con chip không đủ tiêu chuẩn sẽ do chính TSMC chịu. Apple chỉ cần trả tiền cho chip tốt. Một số phương tiện truyền thông cho rằng bằng cách này, Apple có thể tiết kiệm hàng tỷ USD mỗi năm.

Nếu tỷ lệ lợi nhuận đủ cao, Apple không cần phải thực hiện chuyến đi đặc biệt nào để đạt được thỏa thuận này với TSMC. Kể từ khi TSMC sản xuất hàng loạt 3nm vào năm 2022, tỷ suất lợi nhuận vẫn chưa đạt đến mức đáy của Apple và hiệu suất tiêu thụ năng lượng hiện không phải là lý tưởng. Liệu có thể thuyết phục nhiều khách hàng hơn chấp nhận quy trình như vậy với giá tăng trở lại hay không có thể là vấn đề lớn mà TSMC cần giải quyết vào năm 2024.

3nm Ai dẫn đầu?

Hiện tại, TSMC vẫn sản xuất N3B, tiến trình 3nm thế hệ đầu tiên cho Apple. Lợi ích của quá trình này là mật độ bóng bán dẫn tăng đáng kể, tức là A17Pro đạt được 19 tỷ bóng bán dẫn. N3E sẽ ra mắt vào năm sau sẽ kém hơn một chút về mật độ bóng bán dẫn nhưng lại lý tưởng hơn về mặt kiểm soát mức tiêu thụ điện năng. Nhiều nhà sản xuất, trong đó có Apple, quan tâm đến việc áp dụng quy trình này. Nếu TSMC có thể cải thiện đáng kể tỷ suất lợi nhuận vào thời điểm đó, tôi tin rằng sẽ vẫn có vô số nhà sản xuất Fabless ra mắt.

Nhưng Samsung đã để mắt đến tiến trình 3nm của GAA. Một khi TSMC mắc sai lầm, các đơn hàng ban đầu thuộc về TSMC có thể sẽ chuyển sang đối thủ cũ. Tình trạng này đã từng xảy ra với 16nm và 7nm. Bây giờ 3nm đang chờ xử lý, có khả năng điều đó sẽ xảy ra lần nữa.

3nm là một trở ngại nhỏ mà TSMC cần phải vượt qua gấp rút.