בתמונה למעלה: קו ייצור שבבים בחברת TSMC. מקור: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.

חברת אינטל (Intel) וחברת אפל (Apple) צפויות להיות החברות הראשונות שיוציאו לשוק שבבים אשר ייוצרו על-ידי TSMC הטאיוואנית בתהליך ייצור של 3 ננומטר. כך דיווח בסוף השבוע העיתון Nikkei Asia. העיתון מסר ששתי החברות מבצעות כעת בדיקות של התהליך במפעל של TSMC, כאשר אינטל מתכננת לייצר באמצעותו מעבדים עבור הדור הבא של מחשבים ניידים ומרכזי נתונים, ואילו חברת אפל מעוניינת לייצר מעבדים עבור טאבלטים חדשים ממשפחת iPad.

ככל הנראה הייצור ההמוני עבור שתי החברות יתחיל בשנה הבאה. בחודש שעבר הודיעה TSMC שהיא תתחיל בייצור המוני של שבבי 3 ננומטר (N3) במחצית השנייה של שנת 2022. הטכנולוגיה החדשה תתבסס על טרנזיסטורים מסוג FinFET. בהשוואה לתהליך של 5 ננומטר (N5), היא תספק שיפור של 15% בביצועים, חיסכון של 30% בצריכת ההספק, ושיפור של 70% ברמת הצפיפות של הטרנזיסטורים בשבב. לפי ההערכות, השבבים המיועדים לטלפונים החדשים של אפל (iPhone) ייוצרו על-ידי TSMC בתהליך של 4 ננומטר (N4), המהווה למעשה שיפור של תהליך 5 ננומטר הקיים. לפי ההערכות, TSMC צפויה להתחיל בייצור ניסיוני של שבבי 4 ננומטר לקראת סוף 2021, ולהתחיל בייצור סדרתי במהלך 2022.

עד לאחרונה החזיקה אינטל באסטרטגיית ייצור עצמית שלפיה רק היא מייצרת את השבבים שהיא מפתחת ומוכרת. אולם הקשיים של אינטל בפיתוח טכנולוגיות ייצור קטנות יותר מ-10 ננומטר מאלצים אותה לעבוד עם קבלני ייצור המשלימים את יכולת הייצור שלה. בחודש אוקטובר 2020 הודיעה אינטל על דחייה נוספת בהשקת מעבדי 7 ננומטר לשנת 2023. הדחייה הציבה אותה בפיגור משמעותי לעומת המתחרות העיקריות, AMD ואנבידיה, שכבר הוציאו לשוק מעבדים המיוצרים בגיאומטריה של 7 ננומטר.

בחודש מרץ 2021 הכריז מנכ"ל אינטל, פט גלסינגר, על אסטרטגיית IDM 2.0 המבוססת על שלושה מרכיבים: ייצור עצמי במפעלי החברה, ייצור מוצרים של אינטל אצל קבלניות ייצור חיצוניות, ומתן שירותי ייצור ללקוחות צד שלישי. במסגרת הזאת הוא אמר שאינטל תשתף פעולה עם TSMC בייצור מעבדים למחשבי קצה ושרתים, ובמקרה הצורך גם בשירותי הייצור של Globalfoundries ו-UMC. גלסינגר: "המטרה היא לספק ללקוחות מוצרים מובילים בלא קשר לשאלה היכן הם מיוצרים". לאחרונה דיווחה סוכנות בלומברג ש-TSMC מוכנה להעמיד לרשות אינטל מפעל שהיא מקימה בעיר Baoshan, שיעסיק כ-8,000 עובדים.

בשלוש השנים הבאות תשקיע חברת TSMC הטאיוואנית כ-30 מיליארד דולר בשנה בבניית יכולת ייצור בטכנולוגיות חדשות, בהן טכנולוגיתו ייעודיות לתעשיית השבבים, טכנולוגיות לשבבים תלת מימדיים והבאה לייצור המוני של רכיבים בתהליך ייצור של 3 ננומטר. כך גילה היום (ד') מנכ"ל חברת TSMC, ד"ר סי.סי. וויי (בתמונה למעלה), בכנס הטכנולוגיה השנתי של החברה. מדובר בהשקעה הגדולה ביותר בתעשיית השבבים המתבצעת על-ידי חברה פרטית. חברת TSMC היא קבלנית ייצור השבבים הגדולה בעולם. היא מעסיקה 57,000 עובדים ובשנת 2020 הסתכמו מכירותיה בכ-47.7 מיליארד דולר – יותר מ-10% מכלל המכירות של תעשיית השבבים העולמית.

בהרצאת המבוא שלו תאר ד"ר וויי סדרת מהלכים רחבי היקף ש-STMC מתכננת לבצע בשלוש השנים אשר תהיה להם השפעה עמוקה על כל תעשיית השבבים העולמית. וויי: "הרבה אנשים הספידו את חוק מור, אולם אנחנו ממשיכים לשמור על תוקפו. כעת אנחנו נמצאים בתהליך מעבר מייצור המוני בגיאומטריה של 7 ננומטר לייצור בגיאומטריה של 5 ננומטר, ובקרוב אנחנו ניכנס לייצור המוני בגיאומטריה של 3 ננומטר. כל דור כזה משפר את היעילות ומפחית את צריכת האנרגיה של הרכיבים.

"המעבר מתהליך של 7 ננומטר (N7) לתהליך של 5 ננומטר (N5) מספק מהירות עבודה גבוהה יותר ב-15%, חסכון של 30% בצריכת האנרגיה של השבבים והגדלה של 80% ברמת הצפיפות של המעגלים הלוגיים. המעבר מ-5 ננומטר לתהליך של 3 ננומטר (N3) ייתן יתרונות דומים: מהירות גבוהה ב-15%, חסכון של 30% בצריכת האנרגיה והגדלה נוספת של הצפיפות ב-70%". לדבריו, מפעל הייצור שהחברה מקימה כעת באריזונה, ארה"ב ייצר שבבי 5 ננומטר, כאשר החברה מתכננת להציג תחילת ייצור של 3 ננומטר כבר בסוף שנת 2022.

שימור חוק מור ברמת המארז

במקביל למאמץ האנכי במזעור השבבים, חברת TSMC מבצעת גם מהלך רוחבי: היא ביצעה שיפור של טכנולוגיית ה-7 ננומטר הקיימת והכריזה על תהליך N6RF, אשר פותח לצורך ייצור רכיבי תקשורת אלחוטיים הנדרשים במערכות ובאבזרים המקושרים אל תשתיות הדור החמישי (5G) ומערכות תקשורת אלחוטיות בתקני Wi-Fi 6/6E. במקביל, היא מפתחת גרסה חדשה של טכנולוגיית 5 ננומטר, בשם N5A, המיועדת ארך ורק לייצור רכיבים עבור תעשיית הרכב ועומדת בדרישות המיוחדות של תעשיית הרכב.

מאמץ רוחבי אחר הוא בתחום המארזים, חברת TSMC השלימה לאחרונה תהליך שבו היא ריכזה את כל הידע שלה בתחום מארזי השבבים והגדירה טכנולוגיית מארזים בשם 3DFabric, אשר מאפשרת לה לייצר רכיבים תלת-מימדיים באמצעות צירוף פרוסות סיליקון נפרדות למערכים אופקיים ואנכיים (3D Packaging). לדברי וויי, במהלך 2022 יהיו כל הטכנולוגיות האלה מוכנות לייצור המוני באמצעות חמישה מפעליי ייצור אשר יתעסקו אר ורק בייצור רכיבי 3DFabric.

בתמונה למעלה: מנכ"ל TSMC העולמית, וויי. מזעור המארז הוא חלק בלתי נפרד מתהליך מזעור השבבים

חברת TSMC מרחיבה את היקף הייצור בטכנולוגיות חדשות ונערכת לייצור סדרתי של רכיבים בטכנולוגיות 5 ננומטר ו-3 ננומטר. כך גילה היום (ג') מנכ"ל TSMC העולמית, סי.סי. וויי ( C.C. Wei) במהלך המפגש השנתי המקוון הראשון של החברה באירופה. לדבריו, החברה כבר ייצרה יותר ממיליארד רכיבים בתהליך N7 ברוחב צומת של 7 ננומטר, וכרגע היא מתחילה בייצור ההמוני של טכנולוגיית 5 ננומטר בפאב-18 בטאיוואן, המעסיק כ-9,000 עובדים.

הפאב הזה גם ייצר את הרכיבים החדשים של חברת NXP המיועדים לתעשיית הרכב, אשר ייוצרו בתהליך של 5 ננומטר. במקביל, החברה נמצאת בשלבי הסיום של תהליך ביניים ברוחב צומת של 4 ננומטר (N4) אשר מיועד להכנס לייצור המוני ברבעון האחרון של 2021. לדברי ווי, TSMC נחושה לשמור על מעמד מוביל בתחום טכנולוגיות הייצור ומתכננת להתחיל את הייצור ההמוני של רכיבים בטכנולוגיית 3 ננומטר כבר במחצית השנייה של שנת 2022.

תהליכי הייצור המתקדמים הפכו למנוע צמיחה

האסטרטגיה הזאת הוכיחה את עצמה: ברבעון השני של 2020 צמחו המכירות של TSMC בכ-34% והסתכמו בכ-10.4 מיליארד דולר. בתקופה הזאת היה אחראי תהליך ה-7 ננומטר לכ-36% מההכנסות, ותהליך ה-16 ננומטר לכ-18% מההכנסות. החברה מגדירה את כל התהליכים הקטנים מ-16 ננומטר (כולל) בשם Advanced Technologies, ומסרה שהם היו אחראים לכ-54% ממכירותיה ברבעון. החברה צופה להמשיך בצמיחה, ולהגיע ברבעון השלישי להיקף מכירות של 11.2-11.5 מיליארד דולר.

מעניין לציין ש-TSMC בחרה להציג את חברת DSPG הישראלית כלקוח לדוגמא, לצד החברות האירופיות NXP, STMicroelectronics ו-AMS האוסטרית. במסגרת הזאת הודיעה TSMC שהיא מייצרת את שבבי SmartVoice של DSPG הכוללים מודולי בינה מלאכותית ומיוצרים בתהליך של 22 ננומטר. אלא שתהליך הפיתוח של טכנולוגיות חדשות אינו מתמצה במיזעור גודל השבבים. וויי סיפר שהחברה פיתחה תהליך ייצור חדש בשם N12e עבור רכיבים חסכוניים מאוד בהספק.

תהליך N12e מיועד בעיקר ליישומי IoT ולשימוש במוצרים המתחברים אל רשתות 5G ויחליף את תהליך 22ULL (שבו מיוצרים רכיבי העיבוד הקולי של DSPG). הוא מבוסס על שיפור של תהליך הייצור של טרנזיסטורי FinFET בגיאומטריה של 16 ננומטר, ומספק שיפור של 76% בצפיפות ושל 55% בצריכת ההספק.

TSMC נכנסת לזירת המארזים

וויי: "היכולת לבנות מארזים ורכיבים תלת-מימדיים הפכה לחלק בלתי נפרד מתהליך המיזעור בתעשיית השבבים. אנחנו מפתחים כעת טכנולוגיות שונות המאפשרות לחבר פרוסות סיליקון שונות במבנים תלת-מימדיים, ואיחדנו את כל הפעילויות האלה תחת מנגנון אחד הנקרא 3DFabric". המותג החדש כולל טכנולוגיות אריזה תלת-מימדיות שונות שפותחו בחברה, בהן: Chip-on-Wafer-on-Substrate, Integrated Fan Out, Chip on Wafer ו-Wafer-on-Wafer.

במהלך הזה TSMC מוכיחה שהיא לא זונחת את הציר השני של התחרות, המובל כיום על-ידי אינטל וסמסונג, של מארזים מתקדמים וצפופים מאוד. בסך הכל, ההשקעות בציוד ובתהליכי ייצור חדשים צפויות להסתכם בכ-16-17 מיליארד דולר בשנת 2020 כולה. וויי: "ההצלחה שלנו מבוססת על האמון של הלקוחות, ולכן לעולם לא נתחרה בהם".