אינטל הדביקה את הפער הטכנולוגי בתהליך 2 ננומטר

Intel Semiconductor Fab

לאחר מספר שנים קשות שבהן הפסידה חברת אינטל גם את ההובלה הטכנולוגית וגם חלקים גדולים מהשוק, נראה שברמת התהליכים המתקדמים ביותר של 2 ננומטר, היא הדביקה את הפער ואפילו מובילה את השוק במספר פרמטרים. כך עולה מניתוח של חברת המחקר הטכנולוגית TechInsights, אשר בדקה את הפרסומים של אינטל, סמסונג ו-TSMC בשנים האחרונות ובכנס IEDM 2024 בחודש דצמבר באחרון. היא הגיעה למסקנה שהפערים הטכנולוגיים בין תהליך ה-2 ננומטר של TSMC לבין תהליך ה-2 ננומטר של אינטל אינם גדולים ואינם חד-משמעיים. מבחינת אינטל מדובר בהצלחה גדולה מאוד, מכיוון שבשנה האחרונה נוצרה תחושה שהיא נמצאת בפיגור טכנולוגי שהיא לא מצליחה להתאושש ממנו.

המאמר בכותרת TSMC 2nm Process Disclosure נכתב על-ידי סקוטן ג'ונס, נשיא חברת הייעוץ והמחקר IC Knowledge, אשר נירכשה על-ידי TechInsights בשנת 2022. הוא מתחיל בביקורת על TSMC אשר המאמרים שלה המוגשים ל-IEDM שינו את אופיים בשנים האחרונות: הם כוללים פחות מידע טכני מהמקובל במאמרים מקבילים בכנס, ומכילים הרבה מאוד תכנים שיווקיים, המקשים על ביצוע השוואות טכנולוגיות. למרות זאת, הוא התעמק בחומר כתוב שהוגש ובדברים שנאמרו במהלך ההרצאות, והגיע למסקנה שהפערים בין שלושת החברות המובילות, אינטל, סמסונג ו-TSMC, אינם גדולים.

המסקנות המרכזיות היו שתהליך ה-2 ננומטר של TSMC ממוקד בחיסכון באנרגיה המושג באמצעות טרנסיטורי nanosheet, ואופטימיזציה של מארזי 3DIC ליישומים אנכיים שונים. להערכת החברה התהליך הזה מספק שיפור של 30% באנרגיה, ושל 15% בביצועים בהשוואה לתהליך ה-3 ננומטר של TSMC. בעוד ש-TSMC מאפיינת את התהליך שלה כ"בעל סיכוי להיות הצפוף ביותר והחסכוני ביותר באנרגיה בהשוואה לתהליכים המתחרים", בדיקה מעמיקה יותר מגלה שהתמונה מורכבת מהצפוי.

השוואה במונחי Power Performance Area

הגורמים המרכזיים שבהם נבדקים תהליכי ייצור שבבים הם Power Performance Area – PPA. מהנתונים שחברת המחקר חילצה, עולה ש-TSMC מובילה ביחס לסמסונג במונחי הספק (Power), אולם אין מידע על התהליך של אינטל, ולכן אי-אפשר לבצע השוואה מלאה. כדי לבדוק את הביצועים (Performance), ג'ונס הישווה מספר מקורות של שלושת החברות, ובנה סולם השוואתי להערכת ביצועי העיבוד של כל חברה. תהליך 18A של אינטל קיבל את הציון 2.53, תהליך N2 של TSMC קיבל את הציון 2.27 ותהליך SF2 של סמסונג קיבל את הציון 2.19. כלומר הביצועים של אינטל הם הטובים ביותר, TSMC במקום השני וסמסונג במקום השלישי. להערכתו, גם לאחר הוספת ההצהרות של TSMC וסמסונג על שיפור עתידי בביצועים – אינטל ממשיכה להוביל.

בהשוואת מדד הצפיפות, או השטח הכולל של הסיליקון (Area), בדקה TechInsights את צפיפות הטרנזיסטורים בתא לוגי ואת גודלו של תא זיכרון מסוג SRAM. במדד הצפיפות של התא הלוגי, TSMC מדורגת במקום הראשון עם 313 מיליון טרנזיסטורים למ"מ מרובע (MTx/mm2). אינטל במקום השני עם רמת צפיפות של 238MTx/mm2, וסמסונג במקום השלישי עם רמה של 231Mtx/mm2. בבדיקת שטח תא ה-SRAM, הנתונים מעורפלים מאוד: TSMC לא מוסרת את המידע הזה, ואינטל מסרה אותו לאנליסטים תחת הסכם NDA. לכן החברה לא יכולה לדווח על ממצאים.

גם ביחס לרמת התפוקה של הייצור (רכיבים תקינים בהשוואה לרכיבים תקולים), המידע אינו מלא. חברת TSMC דיווחה שרמת התפוקה (Yield) בייצור רכיב זכרון 256Mb SRAM היא גבוהה מ-80%. חברת TechInsights מציינת שבעבר התפרסמו ידיעות שרמת התפוקה של אינטל היא 10% בלבד, אולם לדעתה מדובר במספר שגוי או לא מעודכן. מהמידע המצוי בידה התפוקה של אינטל גבוהה בהרבה, אולם היא לא יכולה לפרסם אותו.

רוחב הצומת הינו מדד חלקי

אולם טכנולוגיית ייצור שבבים אינה רק רוחב הצומת של הטרנזיסטור. היא צריכה לספק מענה לצרכים רבים, כמו פיזור חום והולכת אותות חשמליים ומקורות הספק אל הטרנזיסטורים. בתחום הזה יש לאינטל יתרון מובהק בהשוואה לסמסונג ו-TSMC. טכנולוגיית PowerVia של אינטל להובלת האותות והמתחים (backside power delivery) כבר משולבת בתהליך Intel 18A ונכנסת לייצור המוני ב-2025, כולל ייצור הרכיבים של לקוחות צד שלישי באמצעות חטיבת Intel Foundry. סמסונג צפויה לשלב טכנולוגיה מקבילה בשנת 2026, ו-TSMC החליטה לדלג עליה לחלוטין בתהליך ה-2 ננומטר, וצפויה לשלב אותה ב-A16 העתידי.

חברת TechInsights דיווחה על תופעה מעניינת: בעוד שיצרני המערכות עתירות העיבוד (HPC) מעוניינים בטכנולוגיית backside power delivery, יצרני הטלפונים הניידים מעדיפים להסתדר בלעדיה. יכול להיות שזה מרמז על תמהיל הלקוחות העתידי של אינטל ושל TSMC. לצד אלה, קיימים גורמים נוספים: חברת TechInsights מעריכה שהמחיר הממוצע של TSMC לפרוסת סיליקון של 2 ננומטר יהיה בסביבות 30,000 דולר לפרוסה. גם לאחר השיפור ברמת הצפיפות של הטרנזיסטורים, מדובר בעלייה גדולה במחיר הייצור של כל טרנזיסטור בהשוואה לתהליך ה-3 ננומטר (כ-20,000 דולר לפרוסה). "קשה להעריך איזה לקוחות יהיו מוכנים לשלם מחיר כזה. הוא יפעיל לחץ להחליף את TSMC כספק ייצור, ולעבור אל אינטל או סמסונג".

אינטל התקינה ליתוגרפיה המתקדמת בעולם

חברת אינטל דיווחה על התקנת מכונת הליתוגרפיה המתקדמת ביותר בעולם, אשר פותחה במשך מספר שנים על-ידי חברת ASML ההולנדית בשיתוף עם מהנדסי אינטל. המכונה הותקנה במפעל ייצור השבבים באורגון ארה"ב, ונחשבת למכונת הליתוגרפיה הראשונה בעולם בתחום של אור אולטרא סגול קיצוני (EUV), המבוססת על טכנולוגיית High Numerical Aperture (High NA). כיום המערכת מאפשרת לייצר שבבים הכוללים טרנזיסטורים בגודל צומת של 7, 5 ו-3 ננומטר. להערכת חברת ASML, עד לשנת 2025-2026 ניתן יהיה לייצר באמצעותה טרנזיסטורים ברוחב צומת של 2 ננומטר.

אינטל רמזה על היעד הזה בהודעתה, כאשר היא דיווחה שהמכונה תאפשר לה להשלים את תהליך הייצור 18A, אשר צפוי להיכנס לייצור ראשוני ב-2025. הקוד מתייחס לגודל של 18 אנגסטרם, שהוא 1.8 ננומטר. ליתוגרפיית EUV מבוססת על שימוש בקרן לייזר באורך גל של 13.5 מיקרון, בהשוואה לאורך גל של 193 מיקרון המשמש במערכות אור אולטרא סגול עמוק (DUV) המתקדמות ביותר. טכנולוגיית EUV הופיעה לראשונה בשנת 2010 וממלאת תפקיד מרכזי בפיתוח טכנולוגיות ייצור מתקדמות (פחות מ-10 ננומטר). טכנולוגיית High NA מאפשרת להקטין פי 2.9 את מימדי הטרנזיסטור בהשוואה לטכנולוגיית EUV.

מדד Numerical Aperture מבטא את היכולת למקד קרן אור. במערכת החדשה, הצליחה ASML להגיע למדד NA של 0.55, אשר דרש שימוש באופטיקה מסוג חדש לגמרי. אינטל התקינה את מערכת TWINSCAN EXE: 5000, אשר כוללת שימוש בקרן לייזר אשר מחממת פלסמה לטמפרטורה של 20,000°C (פי ארבעה מהטמפרטורה של פני השמש). מדובר במכונה גדולה מאוד, השוקלת 126 טון. אינטל מסרה שהיא השלימה את האינטגרציה של המערכת וכיום היא נמצאת בשלבי הבדיקות הסופיות.

סמסונג מקימה בטקסס מפעל של 2 ננומטר

משרד המסחר האמריקאי הודיע כי יעניק מענק בגובה של 6.4 מיליארד דולר לחברת סמסונג לצורך הקמת שני פאבים לייצור ואריזת שבבים, כמו גם מרכז מו"פ, בעיר טיילור שבמדינת טקסס. התמריצים ניתנים לסמסונג במסגרת חוק CHIPS שהוביל ממשל ביידן על מנת לבסס פעילות ייצור שבבים על אדמת ארצות הברית ולהפחית את התלות בייצור חיצוני.

כיום יש לסמסונג שני פאבים בעיר אוסטין, לא רחוק מהעיר טיילור. הפרויקט צפוי לייצר יותר מ-21 אלף מקומות עבודה. כמו כן, כ-40 מיליון דולר יושקעו בהכשרת עובדים מיומנים לתעשיית השבבים. בנוסף למענק מהממשל האמריקאי, סמסונג הכריזה כי בכוונתה להשקיע כ-40 מיליארד דולר בפיתוח יכולות ייצור בטקסס. במשרד המסחר האמריקאי מעריכים כי הודות להשקעות הללו, עד 2030 ארצות הברית תהיה אחראית לייצור כחמישית מהמעבדים בעולם.

לפי דיווחים בארצות הברית, הפאבים יכללו קווי ייצור שבבים ב-2 וב-4 ננומטר. לפי אותם דיווחים, ייצור השבבים ב-2 ננומטר יהיה זמין כבר ב-2026, ובכך תקדים סמסונג את TSMC. לפני מספר שבועות הודיעה משרד המסחר האמריקאי כי הגיע להבנות ראשוניות עם TSMC למתן מענק של עד 6.6 מיליארד דולר, ועוד כ-5 מיליארד דולר בהלוואות, לצורך הקמת פאב שני באריזונה, אשר צפוי לייצר ב-2 ננומטר רק ב-2028.

ביוני 2023 הציגה סמסונג מפת דרכים לפיה כבר ב-2025 תייצר שבבים ב-2 ננומטר לשוק הסמרטפונים. ב-2026 יהיה זמין התהליך לתחום מחשוב עתיר-ביצועים (HPC) וב-2027 לשוק הרכב. באחרונה דיווחה סמסונג כי זכתה בחוזה ראשון לייצור המוני ב-2 ננומטר. סמסונג לא חשפה את זהות הלקוח, אך לפי דיווחים בתקשורת הקוריאנית מדובר בסטארט-אפ יפני בשם PFN, המתמחה בייצור שבבי AI.

ירידה של 10% במכירות סמסונג אלקטרוניקס

ברבעון הראשון של שנת 2023 ירדו המכירות של חברת סמסונג אלקטרוניקס (Samsung Electronics) בכ-10% והסתכמו בכ-51 מיליארד דולר. החברה צופה שברבעון השני לא יחולו שינויים מהותיים בשוק, אולם נערכת לחיזוק ההיצע הטכנולוגי שלה באמצעות הגברת הייצור של זכרונות מתקדמים כמו DDR5 ו-LPDDR5x, ופיתוח מואץ של טכנולוגיית ייצור שבבים המבוססת על טרנזיסטורי Gate-All-Around – GAA ברוחב צומת של 2 ננומטר.

החברה אינה מספקת מידע מדוייק אל מגזרי השוק השונים שלה, מלבד הערכות כלליות מאוד. מגזר הפעילות הגדול ביותר של החברה הוא טלפונים ופתרונות תקשורת. חטיבת MX אחראית על התחום הזה ומכירותיה ברבעון הסתכמו בכ-25.6 מיליארד דולר (ורווח תפעולי של כ-3.1 מיליארד דולר). מכירות חטיבת ה-Device Solutions, אשר אחראית לטכנולוגיות ליבה כמו זכרונות וייצור שבבים, הסתכמו בכ-11 מיליארד דולר. היא סיימה את הרבעון בהפסד של כ-3.8 מיליארד דולר. מכירות חטיבת הצגים (SDC) הסתכמו בכ-5.3 מיליארד דולר (וברווח של כ-620 מיליון דולר).

סמסונג צופה שהשוק יתחיל להתאושש במחצית השנייה של 2023, ומתכננת למגמה הזאת באמצעות חיזוק ההיצע של שרתים עתירי ביצועים וטלפונים ניידים מהקצה הגבוה של השוק. החברה מדווחת על "ירידה משמעותית" במכירות חטיבת הזכרונות בהשווה לקבעון המקביל אשתקד, עקב הצטברות מלאים אצל הלקוחות. המכירות של זכרונות DRAM סבלו בעיקר מביטול הזמנות מצד חברות ענן גדולות, אשר התאימו את היקף הרכש שלהן לשפל בשוק הטלפונים והמחשבים האישיים.

שוק כרטיסי האשראי החכמים יגדיל את המכירות

יחד עם זאת, החברה צופה בהמשך השנה לדרישה חזקה לזכרונות LPDDR5x ו-DDR5, בזכות הופעת דור חדש של שרתים ומעבדי CPU אשר מיועדים להתמודד עם העומסים הכבדים של בינה מלאכותית. החברה דיווחה שהיא הגדילה את מכירותיה בתחום זכרונות ה-NAND, למרות השפל בשוק, בזכות מעבר לזכרונות מתקדמים עבור כונני SSD המצויים בטלפונים ובמחשבים חדשים. גם בתחום הזה היא צופה התאוששות במחצית השנייה, וכניסת זכרונות quad-level cells אל שוק הטלפונים הניידים.

חטיבת השבבים הלוגיים של החברה (System LSI Business) ספגה, "ירידה חדה במכירות עקב צניחה בביקוש לרכיבים מרכזיים כמו רכיבי SoC, חיישנים ורכיבים לדחיפת צגים (DDI), אלם מכירותיה הכוללות צמחו בזכות מכירת רכיבי SoC לטלפונים ניידים ושבבי תקשורת אלחוטית קצרת טווח". גם כאן החברה מעריכה שצפויה התאוששות במחצית השנייה של השנה, במיוחד לאחר השקת מוצרי דגל חדשים והכניסה לשוק של כרטיסי אשראי המאומתים באמצעות טביעת אצבעות ולא באמצעות קוד סודי.

חטיבת ה-Foundry החלה בייצור המוני של 3 ננומטר

בתחום שירותי הייצור (Foundry Business), סמסונג נכנסה לייצור המוני של הדור הראשון של שבבי 3 ננומטר המבוססים על טרנזיסטורי GAA. הדור השני צפוי להיכנס לייצור המוני במהלך 2024, ומיועד לשימוש במוצרים חדשים הדורשים ביצועים גבוהים והספק נמוך, כמו סמארטפונים ומחשבים עתירי עיבוד (HPC). החברה לא מסרה מידע על היקף המכירות של החטיבה, אבל סיפקה תחזית צמיחה מתונה לאור ההתאוששות הצפויה בשוק. מנוע המכירות הגדול ביותר צפוי להיות תהליך GAA ב-3 ננומטר. "בנוסף, הצגנו תוצאות משמעותיות בתחום ה-2 ננומטר".