Тайваньская TSMC сегодня выпускает самые совершенные кристаллы для CPU, GPU, NPU и ускорителей ИИ, и почти все крупные игроки рынка вычислений, от AMD и Nvidia до Apple и Broadcom, зависят от её производственных линий. Но в 1987 году идея выпускать чужие чипы казалась сомнительной. В этой статье мы пройдём весь путь компании от 3 мкм до 2 нм и посмотрим, какие технологии она внедряла на каждом этапе и какие продукты на них появлялись. Это полезный бэкграунд и для тех, кто подбирает сервер: поколение техпроцесса напрямую влияет на энергоэффективность и плотность вычислений.

Как возникла TSMC

Компания обязана своим появлением Моррису Чангу, которому сегодня 94 года. Он работал рядом с Джеком Килби, Нобелевским лауреатом и изобретателем первых интегральных микросхем, и 25 лет провёл в Texas Instruments, дослужившись до главы полупроводникового направления. В середине 80-х Чанг ушёл из компании и принял приглашение правительства Тайваня: возглавить исследовательский институт ITRI и при участии Philips создать предприятие нового типа. Оно не должно было проектировать собственные процессоры, а лишь производить кристаллы по чертежам заказчиков.

Такая модель называется pure-play foundry. На рубеже 80-х и 90-х она выглядела почти безумной: считалось, что без собственного прорывного микропроцессора, способного соперничать с Intel 80386, успеха не добиться. Чанг рассуждал иначе: дизайн-центров в мире становилось всё больше, строить свои заводы они не хотели и не могли, а производить чипы где-то было необходимо. Так в 1987 году возникла Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, а её первым узлом стала 3-мкм CMOS-технология, лицензированная у Philips.

Эра микрометров (1987–1991)

Первые годы TSMC работала на простых планарных CMOS-процессах с размерами порядка микрон. Закон Мура тогда действовал безотказно, и каждый шаг вниз заметно увеличивал число транзисторов на кристалле. Пластины были диаметром 100 или 150 мм, но и они позволяли выпускать тысячи микросхем размером с кончик мизинца.

  • 3 мкм (1987) — стартовый узел на i-line литографии с длиной волны 365 нм. До лидеров он не дотягивал: например, UMC (чей основатель уверял, что Чанг присвоил его идею pure-play foundry) уже в 1987 году выпускала продукцию по нормам 1–0,8 мкм. Тайваньским заказчикам хватало и этого: микроконтроллеры, чипсеты, простые ASIC для бытовой и промышленной техники.
  • 2 мкм (1987), 1,5 мкм (1988), 1,2 мкм (1989) — эволюционное уменьшение с умеренным ростом плотности. Зато именно тогда сложились отношения с крупными клиентами и сократилось отставание от конкурентов. На мощностях TSMC печатались графические чипы S3 Graphics и Trident, а также чипсеты для материнских плат, рынок которых стремительно рос.
  • 1 мкм и 0,8 мкм (к 1991 году) — граница между микронными и субмикронными нормами. TSMC применила усовершенствованную i-line-литографию с лучшими степперами и начала эксперименты с рефлективными покрытиями. Процессоры Intel и AMD в то время выпускались на их собственных фабриках, но TSMC уже обслуживала перспективных заказчиков вроде Cyrix, позже бросившей вызов Intel на рынке x86-совместимых CPU.

Субмикронная эра (1995–2001)

К середине 90-х в ход пошла глубокая ультрафиолетовая литография (DUV, 248 нм), а затем и первые шаги к иммерсионной. В этот период TSMC совершила два скачка, определивших облик отрасли на десятилетия.

Первый скачок: 0,35 и 0,25 мкм

Узел 0,35 мкм появился в 1995 году, 0,25 мкм — в 1997-м. На 0,25 мкм клиентам впервые предложили 5-слойную металлизацию, а производство перевели на DUV с KrF-эксимерными лазерами (248 нм), что резко увеличило допустимый масштаб чипов. На этих техпроцессах массово выпускались ранние GPU Nvidia: RIVA 128, RIVA TNT и легендарная RIVA TNT2.

Второй скачок: медь на 0,18 мкм

Рубеж 0,18 мкм (1999) принёс переход от алюминиевой металлизации к медной. Низкое сопротивление меди позволило поднять плотность тока и снизить нагрев межсоединений. Параллельно внедрялись химико-механическая планаризация (CMP) и low-k диэлектрики для изоляции медных дорожек. На 0,18 мкм вышли первые GPU семейства GeForce: NVIDIA GeForce 256 и GeForce 2 GTS, закрепившие доминирование Nvidia на рынке видеокарт. Чуть позже здесь появились и ранние чипы ATI Radeon (R100), с которых началось противостояние «красных» и «зелёных», пока ещё без участия AMD.

0,13 мкм (2001)

На 0,13 мкм TSMC применила ещё более совершенные low-k материалы, снижающие паразитные ёмкости между медными дорожками, и это позволило продолжить гонку частот. Здесь родились GeForce 4 Ti и старшие модели GeForce FX, хотя по тепловыделению последние удачными не назвать.

Первые нанометры (2003–2011)

К началу 2000-х счёт пошёл на нанометры, и именно в этот период TSMC окончательно закрепилась в роли лидера контрактного производства.

Узел Год Ключевая особенность Что выпускалось
90 нм 2003 Напряжённый кремний, DUV 193 нм, фазосдвигающие маски и оптическая коррекция близости NVIDIA GeForce 7800 GTX, часть чипов Cell для Sony PlayStation 3
65 нм 2005 Напряжённый кремний, иммерсионная литография 193i на ключевых слоях NVIDIA GeForce 8800 GTX/GTS
40 нм 2008 Сложный запуск, проблемы с выходом годных Radeon HD 4770, Nvidia Fermi
28 нм 2011 Первый узел TSMC с high-k metal gate (HKMG) GeForce GTX 680 (Kepler), Radeon HD 7970 (Tahiti), Snapdragon 800/801, Apple A7, чипы MediaTek

На 90 нм напряжённый кремний впервые заменил обычный: растяжение или сжатие кристаллической решётки повышает подвижность носителей заряда и даёт прирост производительности без роста токов утечки. На 65 нм TSMC начала использовать водяную прослойку между линзой литографа и пластиной: вода преломляет свет и фокусирует его, позволяя печатать более мелкие структуры без перехода на EUV. Именно на 65 нм вышла GeForce 8800 GTX/GTS, первая видеокарта с CUDA-ядрами, после которой GPU стали применять не только для графики, но и для серьёзных вычислений (GPGPU).

Узел 40 нм принёс первые проблемы с выходом годных кристаллов (вспомните горячие и дефицитные Radeon HD 4770 и Nvidia Fermi), поэтому TSMC быстро переключилась на 28 нм. Технология high-k metal gate резко снизила паразитные токи и позволила дальше масштабировать транзисторы и повышать частоты. Узел оказался необычайно долгоживущим: даже спустя полтора десятилетия простые микроконтроллеры и IoT-чипы продолжают выпускать на 28 нм, что принесло TSMC колоссальную маржу.

Переход на FinFET (2014–2016)

К 28 нм планарные транзисторы почти исчерпали возможности: канал настолько истончился, что утечки стали катастрофическими. Решением стал трёхмерный транзистор FinFET, в котором канал поднят вертикальным плавником (fin), а затвор охватывает его с трёх сторон, обеспечивая гораздо лучший электростатический контроль. TSMC была не первой: Intel внедрила FinFET ещё на 22 нм в 2011 году. Зато тайваньцы реализовали технологию прагматично и без спешки, и в итоге захватили рынок.

20 нм (2014): последний планарный узел

Перед FinFET случился короткий и почти провальный эпизод. 20 нм был последним планарным узлом TSMC и за счёт двойного патернинга давал двукратный рост плотности относительно 28 нм. Но из-за огромных утечек он не подходил для высоких частот. Единственным громким чипом стал Apple A8 (iPhone 6): для мобильной SoC мегагерцы не так критичны. Остальные заказчики дождались FinFET.

16 нм (2014)

Первый FinFET-узел вышел в вариантах 16FF и улучшенном 16FF+. Вертикальные кремниевые плавники высотой около 30 нм заметно снизили утечки и повысили производительность. На 16FF+ построены:

  • NVIDIA GeForce GTX 1080 (Pascal, GP104), перевернувшая рынок энергоэффективностью;
  • Apple A9 (параллельно с версией Samsung на 14 нм; вариант TSMC оказался холоднее и экономичнее) и A10 Fusion;
  • серверный ускоритель Tesla P100 с памятью HBM2 (GPU GP100).

Отдельно существовал 16FFC, оптимизированный вариант для бюджетных чипов.

10 нм (2016)

Короткоживущий, но рекордно плотный узел: те же FinFET, ещё более мелкие плавники и агрессивный мультипаттернинг. На нём вышли Apple A11 Bionic (iPhone 8/X) и несколько мобильных SoC MediaTek, например Helio X30. Из-за дороговизны и недостаточной зрелости большинство клиентов остались на 16 нм и ждали сбалансированного 7 нм.

Эра EUV-литографии (2018–2023)

К 2018 году дальнейшее сжатие средствами DUV потребовало бы такого числа масок и технологических шагов, что себестоимость стала бы запредельной. Прорывом стал экстремальный ультрафиолет (EUV) с длиной волны 13,5 нм: он позволяет печатать мельчайшие элементы за одну экспозицию, упрощая процесс при сохранении высочайшей плотности транзисторов. Внедрялся он постепенно.

N7, N7+ и N5

N7 (7 нм, 2018) ещё работал на DUV (193i) с многократным патернингом, но дал огромный прирост плотности относительно 16 нм. FinFET остались, плавники стали выше и тоньше. На N7 выпускались Apple A12 Bionic, AMD Ryzen 3000 (Zen 2), Radeon RX 5700 (Navi) и дата-центровая NVIDIA A100 (Ampere). Правда, для потребительских RTX 30 Nvidia выбрала Samsung 8N.

EUV ограниченно применили в N7+ (2019), а полноценно в N5 (2020). 5 нм дал рост плотности в 1,8 раза и снижение энергопотребления на 30% благодаря EUV на многих слоях и новым материалам. На N5 созданы:

  • Apple A14, а также революционный M1 (первый десктопный ARM-чип Apple) и M2;
  • AMD Ryzen 7000 (Zen 4);
  • NVIDIA RTX 40 (Ada Lovelace);
  • NVIDIA H100/H200 на кастомном узле 4N, оптимизированной версии N5;
  • Intel Arc GPU (на N6, производной от N5).

Фактически с N5 все ведущие игроки рынка вычислений, кроме Intel, стали клиентами TSMC.

N3 (2022–2023)

Формально 3 нм — по-прежнему FinFET, но с фирменной технологией FinFlex, которая позволяет дизайнерам совмещать на одном чипе ячейки разной ширины и подбирать баланс производительности и плотности. Ранний вариант N3B используется в Apple A17 Pro, а более массовый N3E с лучшим выходом годных пошёл в Apple M3, M4, M5, AMD Zen 5 и GPU Nvidia Blackwell.

Переход на GAA: 2 нм и дальше

У FinFET, даже в блестящем исполнении TSMC, есть предел масштабирования. На 2 нм, к которому компания готовится с 2025 года, вертикальный плавник уступает место нанолистовым транзисторам gate-all-around (GAA). Канал в них состоит из нескольких горизонтальных нанолистов кремния, полностью окружённых затвором с четырёх сторон. Это даёт идеальный электростатический контроль, позволяет уменьшать размеры и снижать напряжение питания.

Кроме нанолистов, в техпроцесс впервые включена технология backside power delivery (BSPDN) — подача питания с обратной стороны кристалла. Сигнальные линии остаются на лицевой стороне, а толстые питающие шины уходят на тыльную, что освобождает место и дополнительно повышает плотность и энергоэффективность.

На N2 будут выпускаться новейшие процессоры AMD EPYC Venice 9006 и графические ускорители Nvidia Vera Rubin, а в конце очереди стоит Apple с потребительскими чипами A20. Переход на GAA — фундаментальное изменение архитектуры транзистора, сопоставимое по значимости с внедрением FinFET десятилетием раньше. Вместе с EUV-литографией сверхвысокого разрешения (High-NA EUV в перспективе) это открывает путь к техпроцессам вплоть до 1 нм и ниже, которые появятся ближе к 2030-м годам.

Что это значит при выборе серверного железа

Хронология TSMC полезна не только как история отрасли. Для покупателя сервера из неё следуют несколько практических выводов:

  • Узел определяет эффективность. Ускорители на N7 (например, A100) и N5/4N (H100/H200) различаются не только архитектурой, но и энергопотреблением на единицу производительности. При расчёте стойки это важно для питания и охлаждения.
  • Старые узлы не означают плохое железо. Tesla P100 на 16 нм до сих пор находит применение там, где важна цена вычислений, а не рекорды.
  • Выход новых узлов задаёт календарь. Серверные CPU и ускорители на N3 и N2 появляются волнами, и план закупок разумно привязывать к этим срокам.

Если вы выбираете платформу под виртуализацию, базы данных или обучение моделей, посмотрите готовые решения в разделах серверы и серверы для ИИ, а подобрать конфигурацию под вашу задачу мы поможем через контакты.

Выводы

TSMC — одна из самых ярких иллюстраций «азиатского технологического чуда». Из скромной фабрики, которую западные ИТ-гиганты воспринимали как ещё одного поставщика услуг по аутсорсингу, компания выросла до положения, при котором её технологические узлы задают график выхода новых процессоров, видеокарт и ИИ-ускорителей по всему миру. Без неё не было бы ни iPhone, ни GeForce RTX, ни EPYC, ни Hopper.

Каждая эпоха, будь то микроны, FinFET, EUV или теперь GAA, была одновременно ответом на запросы рынка и причиной появления новых вычислительных систем. Этот замкнутый круг порождает всё новые технологические прорывы, и многие из них ещё впереди. Монополия такого уровня вызывает вопросы у регуляторов, но на ближайшие годы вся передовая кремниевая электроника по-прежнему будет печататься с пометкой «Made by Taiwan».

Автор: СервакМастер