TSMC:n roadmap vie puolijohteet vuoteen 2029

TSMC on julkaissut uuden puolijohdeprosessien etenemissuunnitelmansa, joka ulottuu vuoteen 2029 asti. Kyse ei ole pienestä päivityksestä vaan linjanvedosta, joka antaa hyvän kuvan siitä, mihin suuntaan koko siruteollisuus on matkalla seuraavien vuosien aikana. TSMC:n viesti on samalla sekä tuttu että yllättävä: kehitystahti pysyy kireänä, mutta kaikkein kalleimpaan litografiasukupolveen ei olla vielä kiirehtimässä.

Maailman suurimpana ja vaikutusvaltaisimpana sopimusvalmistajana TSMC:n roadmap kiinnostaa käytännössä kaikkia laitevalmistajia. Kun yhtiö kertoo, millaisia prosessivaihtoehtoja on tulossa, se antaa samalla vihjeen siitä, millaisiin teho-, kulutus- ja tiheysparannuksiin tulevat prosessorit ja järjestelmäpiirit voivat yltää. Suomessa aihe resonoi erityisesti niiden lukijoiden keskuudessa, jotka seuraavat prosessorien ja mobiilipiirien kehitystä tarkasti. Aiheesta on syytä pitää silmällä myös Bittiblogin uutisosastoa, sillä puolijohdeuutiset näkyvät nopeasti koko teknologiakentässä.

Kaksi rataa kehitykselle

TSMC jakaa uuden etenemissuunnitelmansa kahteen luokkaan: High-End- ja Mainstream-kategorioihin. Jaottelu kertoo käytännössä siitä, ettei kaikkia asiakkaita viedä samaan tahtiin samalle teknologiaspiraalin askelmalle. High-End-puolella yhtiö aikoo julkaista kaksi prosessivarianttia vuodessa vuoteen 2029 asti. Mainstreamissa taas tiedossa on ainakin toistaiseksi vain yksi uusi prosessi, jonka on tarkoitus palvella tarpeita vuosina 2027–2029.

TSMC:n linja on kiinnostava, koska se kertoo laajemmin alan realiteeteista. Kaikki asiakkaat eivät tarvitse aivan terävintä kärkeä, ja kaikille kärkiprosesseille ei myöskään ole taloudellisesti järkevää rakentaa samanlaista tuotantostrategiaa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että TSMC pyrkii ylläpitämään useampaa kehityspolkua rinnakkain: toisaalla mennään aggressiivisesti eteenpäin, toisaalla optimoidaan kustannuksia, yhteensopivuutta ja valmistettavuutta.

Juuri tällainen porrastus selittää myös sen, miksi sirumarkkina ei etene vain yhden hypyn avulla. Kehitys on jatkuvaa hienosäätöä, jossa osa prosesseista tähtää suorituskyvyn maksimointiin ja osa siihen, että nykyisestä tuotannosta saadaan enemmän irti pienemmällä riskillä.

Uudet nimet: N2U, A13 ja A12

Roadmapin keskeiset uutuudet ovat N2U, A13 ja A12. Näistä A13 ja A12 ovat vuonna 2028 odotetusta A14-prosessista jalostettuja versioita. Kaikki kolme ovat Gate-All-Around- eli GAA-tyyppisiä prosesseja, mikä kertoo siitä, että TSMC jatkaa seuraavan sukupolven transistorirakenteiden kehittämistä määrätietoisesti.

A14 toimii tässä kokonaisuudessa ikään kuin lähtökohtana, josta tehdään pienempiä ja hienostuneempia versioita. A13 on TSMC:n mukaan niin sanottu optinen shrink, eli käytännössä prosessin pienennetty versio. Tämä tarkoittaa, että muutokset ovat maltillisia, mutta päivittäminen on asiakkaiden kannalta suoraviivaista. Sama suunnittelusääntöjen jatkumo helpottaa siirtymistä prosessista toiseen, mikä on valmistajille merkittävä etu.

A13:n luvataan kutistavan piirin 97 prosenttiin A14:n koosta. Käytännössä tämä tarkoittaisi noin kuuden prosentin parannusta transistoritiheydessä. Se ei kuulosta valtavalta hypyltä, mutta puolijohdekehityksessä tällaiset prosentit ovat juuri niitä, joilla voidaan parantaa kannattavuutta, energiankulutusta ja kokonaissuorituskykyä ilman täyttä suunnitteluremonttia.

Jos haluat seurata siru- ja prosessorikehitystä laajemmin, myös Bittiblogin etusivulta löytyy jatkuvasti päivittyvää teknologia-aiheista sisältöä.

N2U tuo tuttuutta nykyiseen polkuun

N2U on roadmapin ehkä käytännöllisin nimi. Sen suurin etu on yhteensopivuus nykyisten N2-perheen prosessien kanssa, mikä tekee siihen siirtymisestä helpompaa. Tämä on valmistajille tärkeä tieto, sillä jokainen uusi prosessisukupolvi tarkoittaa yleensä paitsi parempaa tehokkuutta myös kustannuksia, testejä ja aikataulupaineita.

TSMC:n mukaan N2U:n odotetaan tarjoavan joko noin 3–4 prosenttia parempaa suorituskykyä samalla kulutuksella kuin N2P, tai vaihtoehtoisesti 8–10 prosenttia pienempää kulutusta samalla suorituskyvyllä. Lisäksi transistoritiheyden pitäisi parantua maltilliset 2–3 prosenttia. Kyse on siis hienosäädöstä eikä mullistuksesta, mutta juuri tällaiset välivaiheet ovat usein niitä, joilla seuraavan sukupolven tuotteet saadaan markkinoille järkevällä aikataululla.

Tämä kertoo myös siitä, että TSMC ei nojaa pelkästään suuriin kehitysloikkiin. Yhtiö näyttää rakentavan jatkuvan päivityspolun, jossa asiakkaat voivat valita itselleen sopivimman tasapainon suorituskyvyn, energiankulutuksen ja tuotantoriskin välillä.

High-NA EUV saa yhä odottaa

Yksi roadmapin kiinnostavimmista yksityiskohdista on se, ettei yksikään esitelty prosessi käytä High-NA EUV -litografiaa. Tämä on huomionarvoista, koska Intel on siirtymässä High-NA EUV:n käyttöön Intel A14 -prosessin yhteydessä. TSMC:n ratkaisu osoittaa, että yhtiö uskoo yhä voivansa jatkaa pienentämistä nykyisillä ja jo tunnetuilla menetelmillä.

TSMC:n operatiivinen johtaja Kevin Zhang onkin korostanut olevansa hämmästynyt kehitystiimin kyvystä löytää jatkuvasti uusia tapoja skaalata prosesseja pienemmiksi ilman kallista High-NA EUV -laitteistoa. Samalla hän kuitenkin myöntää, että jonain päivänä myös tähän teknologiaan joudutaan turvautumaan. Toisin sanoen kyse ei ole High-NA EUV:n sivuuttamisesta ikuisesti, vaan pikemminkin sen käyttöönoton siirtämisestä myöhempään ajankohtaan.

Strategia on mielenkiintoinen myös kustannusnäkökulmasta. High-NA EUV:n laitteisto on kallista, ja käyttöönotto tuo mukanaan uudenlaista tuotantoriskin hallintaa. Jos TSMC pystyy saavuttamaan kilpailukykyisiä tuloksia ilman sitä vielä usean prosessisukupolven ajan, sillä on selvä etulyöntiasema tilanteessa, jossa asiakkaat etsivät kustannustehokkaita mutta silti tehokkaita ratkaisuja.

Mitä tämä kertoo markkinoista?

TSMC:n roadmap ei kerro vain valmistajan omista suunnitelmista, vaan myös siitä, millaisena yhtiö näkee koko puolijohdemarkkinan seuraavat vuodet. Kehitystä tehdään sekä huipputehon että laajemman tuotettavuuden näkökulmasta, mikä viittaa siihen, että markkina pysyy hyvin segmentoituneena. Osa asiakkaista haluaa aina uusinta ja pienintä mahdollista prosessia, kun taas osa nojaa mieluummin yhteensopiviin ja ennustettaviin päivityksiin.

Samalla TSMC:n vuotuinen kahden prosessivariantin tahti High-End-puolella pitää kilpailijoiden paineen korkeana. Kun rinnalle asetetaan vielä Mainstream-kategorian pitkäkestoinen prosessi, syntyy kuva yhtiöstä, joka haluaa hallita koko skaalaa kuluttajaelektroniikasta suorituskykykriittisiin järjestelmiin.

Tällainen malli hyödyttää käytännössä kaikkia suuria siruasiakkaita. Se antaa mahdollisuuden valita aggressiivisen ja maltillisen etenemisen välillä ilman, että koko tuotelinja joudutaan rakentamaan alusta asti uudelleen. Kuluttajalle tämä näkyy lopulta laitteina, joissa suorituskyky kasvaa ja virrankulutus pienenee askel kerrallaan.

Yhteenveto

TSMC:n uusin roadmap näyttää, että puolijohdekehitys jatkuu tasaisella ja hyvin suunnitellulla vauhdilla ainakin vuoteen 2029 asti. A14, A13, A12 ja N2U muodostavat kokonaisuuden, jossa tärkeintä ei ole vain yksi suuri läpimurto, vaan kyky parantaa olemassa olevaa teknologiaa hallitusti. High-NA EUV jää vielä odottamaan vuoroaan, mutta kehityksen suunta on joka tapauksessa selvä: pienempää, tiheämpää ja energiatehokkaampaa piiriä kohti mennään edelleen.