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TSMC、2nmノードを発表:2025年までに性能が30%向上

台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング(TSMC)は本日、2022年TSMCテクノロジーシンポジウムにおいて、ゲートオールアラウンド型電界効果トランジスタ(GAAFET)を採用した初のノードとなるN2(2nmクラス)製造技術を正式に発表しました。この新しい製造プロセスは、現時点では性能と消費電力の面で大きなメリットをもたらしますが、トランジスタ密度に関しては、2025年の稼働開始時には目立った効果は期待できません。

TSMCのN2は、全く新しいプロセス技術プラットフォームとして、ナノシートトランジスタ(TSMCではGAAFETと呼んでいます)とバックサイドパワーレールという2つの重要なイノベーションをもたらします。どちらもノードのワット当たり性能を向上させるという同じ目的を果たします。GAAナノシートトランジスタは、4辺すべてがゲートに囲まれたチャネルを備えているため、リーク電流が低減します。さらに、チャネルを広げて駆動電流を増やし性能を向上させたり、チャネルを縮小して消費電力とコストを最小限に抑えたりすることができます。これらのナノシートトランジスタに十分な電力を供給し、無駄をなくすために、TSMCのN2はバックサイドパワーデリバリーを採用しています。TSMCは、この方式をバックエンドオブライン(BEOL)における抵抗を抑える最良のソリューションの1つと考えています。

TSMC

(画像提供:TSMC)

実際、性能と消費電力に関して言えば、TSMCのナノシートベースのN2ノードは、TSMCのN3Eと比較して、同じ消費電力と複雑性で10%~15%高い性能を誇り、同じ周波数とトランジスタ数で25%~30%低い消費電力を実現しています。しかし、この新ノードではチップ密度はN3Eと比較して約1.1倍しか増加していません。

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ヘッダーセル - 列 0N2対N3EN3E対N5N3対N5N5対N7
同じ電力で速度向上10%~15%+18%+10%~15%+15%
同じ速度での電力削減-23% ~ -30%-34%-25%~-30%-30%
チップ密度>1.1倍1.3倍??
HVM スタート2025年後半2023年第2四半期/第3四半期2022年下半期2022年第2四半期

一般的に、TSMCのN3はフルノードのパフォーマンス向上と消費電力の削減を実現します。しかし、密度の面では、この新技術は感動を与えるほどのものではありません。たとえば、TSMCのN3Eノードは、N5に比べてチップ密度が1.3倍向上しており、これはかなりの向上です。公平を期すために、TSMCは2022年のテクノロジーシンポジウムで公開された資料の中で、N3EとN2のトランジスタ密度を説明するために、やや複雑な「チップ密度」指標を使用していることに注意する必要があります。チップ密度は基本的に、ロジック50%、SRAM 30%、アナログ回路20%で構成される仮想チップを表します。最新の設計はSRAMを非常に多く使用しますが、SRAMはアナログ回路と同様にほとんどスケーリングできません。そのため、スケーリングされない回路が50%あるN2チップは、N3E ICと比較してスケーラビリティが平凡なものになります。N3のトランジスタ密度最適化バージョンであるN3Sと比較すると、結果はさらに印象に残らないかもしれません。

TSMCは、モバイルSoC、高性能CPU、GPUなど、様々なアプリケーション向けにN2を位置付けています。世界トップのファウンドリであるTSMCは、N2プラットフォームの特徴として(GAAナノシートトランジスタと裏面電源レールに加えて)、チップレット統合に言及しています。これは、N2を使用する多くのアプリケーションが、性能とコストを最適化するためにマルチチップレットパッケージも採用することを示唆していると考えられます。

TSMC

(画像提供:TSMC)

報道されているように、TSMCは2025年後半にN2ノードを使用したチップの量産を開始する予定であるため、現代の半導体生産サイクルの長さを考慮すると、商用2nmチップが市場に登場するのは2025年後半か、あるいは2026年になると予想されます。もちろん、それ以前と2026年には、TSMCはさまざまなN3(3nmクラス)ノードを提供しますが、これはまた別の話です。

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アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。