N2-Prozess: TSMC liefert Eckdaten - Effizienz steigt vor allem in einem Bereich
TSMC hat Details zu den Verbesserungen und der Technik der kommenden N2-Fertigung verraten. Neben den Transistoren stehen auch die Verdrahtung und die Anbindung an andere Chips im Fokus.
Die kommenden Grafikkarten von AMD und Nvidia werden wohl im besten Falls in TSMCs N3-Fertigung produziert, doch schon kurz darauf will das Unternehmen den nächsten Full-Node-Sprung vollziehen. Voraussichtlich im zweiten Halbjahr 2025 soll die neue N2-Fertigung in die Massenproduktion starten und zahlreiche Verbesserungen mit sich bringen. Auf der im Dezember abgehaltenen Halbleitermesse IEDM wurden dabei einige Details zu der kommenden Fertigung verraten.
Mehr von allem
Unter anderem ist die Rede von wahlweise einer um 15 Prozent höheren Performance oder einer um 30 Prozent höheren Effizienz. Einen besonders großen Sprung soll es dabei im Standby-Betrieb geben: Bei niedrigen Spannungen wird die Energieeffizienz angeblich sogar vervierfacht.
Quelle: TSMC
Vor allem bei der Effizienz bei niedrigen Betriebsspannungen will TSMC Fortschritte gemacht haben. Im Standby soll das den Chipverbrauch auf ein Viertel kürzen - oder 20 Prozent mehr Leistung bringen.
Parallel soll die Transistordichte um mindestens 15 Prozent steigen. Als konkreten Nennwert liefert TSMC eine SRAM-Dichte von 37,9 Mbit pro mm². Zumindest in dieser Disziplin wird der genannte Zuwachs damit aber verfehlt: Der Sprung ist im Vergleich zum letzten Prozesswechsel zwar größer, im Vergleich legt N2 gegenüber N3 aber offenbar "nur" um rund 11 Prozent zu.
Quelle: TSMC
Verglichen mit dem Sprung von N5 auf N3 soll die oft als Kenngröße verwendete Dichte von SRAM-Zellen dieses Mal wieder stärker ansteigen. N2 schafft angeblich 37,9 Mbit pro mm².
In komplexeren Schaltwerken wird TSMC daher vermutlich durch andere Optimierungen die mögliche Dichte erhöhen. Neben den Transistoren selbst, bei denen das Unternehmen erstmals auf GAAFETs statt FinFETs setzt, werden etwa Optimierungen an der Verdrahtung genannt. Die unterste Metallebene - M1 - soll erstmals in einem einzigen Schritt mit EUV-Anlagen belichtet werden. Das soll Masken einsparen und die für die Schaltgeschwindigkeit kritischen, parasitären Kapazitäten um neun Prozent reduzieren.
Einen besonderen Fokus legt TSMC mit der N2-Fertigung auch wieder auf Chiplets. Einerseits wird eine neue Verdrahtungsebene eingeführt, um die Bonding-Anschlüsse für den Kontakt mit einem weiteren Chip passend zu positionieren. Andererseits will TSMC die Through Silicon Vias (TSVs), mit denen der darüberliegende Chip angebunden wird, optimieren. Das soll Signalleitungen (sTSVs) und Leistungsverbindungen (pTSVs) betreffen und einen Kontaktabstand von 4,5 µm statt zuvor 6 bzw. 9 µm ermöglichen.
Quelle: TSMC
Mikroskopaufnahmen der Metal-Layer. Für Chiplets gibt es optimierte Through Silicon Vias, die die Chips miteinander verbinden, und eine neue Kontaktschicht, die durch eine Passivierung nicht mit dem darüberliegenden Chip reagiert.
Passend zum Thema: [PLUS] GPUs, CPUs und RAM: Taktraten und ihre Grenzen
Laut TSMC gibt es im N2-Prozess bereits erste Testchips für CPUs / GPUs, die vielversprechende Ergebnisse liefern. Bis die neue Fertigung im PC-Markt ankommt, dürfte es aber selbst nach der Markteinführung noch dauern. Üblicherweise wagt der Smartphone-Markt den Sprung zuerst. Spannend dürfte dann werden, inwiefern es Intel mit der neuen 18A-Fertigung gelingen wird, den eigenen Plan umzusetzen und zu TSMC aufzuschließen. Falls das gelingt, könnte es in den kommenden Jahren womöglich zu einem Kopf-an-Kopf-Rennen kommen. Für dieses hätte TSMC zunächst die N2P-Fertigung parat, die bald eine um fünf Prozent höhere Leistung bei voller Kompatibilität verspricht. Im zweiten Halbjahr 2026 soll zudem die A16-Fertigung folgen, die sich wohl mit Intels 14A-Prozess messen wird.
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Quelle: TSMC (IEDM 2024)
Für mich persönlich ist die Akkulaufzeit beim Smartphone immer noch der Punkt, für den ich mir am meisten eine spürbare Verbesserung wünschen würde. Nachdem die ganzen Wunderakkus ausgeblieben sind, die in den letzten Jahren angekündigt wurden, wäre eine deutliche Absenkung des Verbrauchs bei niedriger Belastung ein echter Schritt nach vorne. Interessant wäre hier dann auch, wann die Modem-Chips auf diesen Node umziehen, nicht nur die SoCs.