Atualização do roteiro TSMC: N3E em 2024, N2 em 2026, grandes mudanças chegando

A Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. tem planos sólidos para os próximos anos, mas os ciclos de projeto de tecnologia de fabricação da fundição estão ficando mais longos. Como resultado, para atender a todas as necessidades de seus clientes, a empresa terá que continuar oferecendo semi-nós, versões aprimoradas e especializadas de seus processos de fabricação.

O sucesso da TSMC nos últimos 20 anos ou mais foi amplamente condicionado pela capacidade da empresa de oferecer uma nova tecnologia de fabricação com melhorias de PPA (potência, desempenho, área) a cada ano e introduzir um novo nó a cada 18 a 24 meses, enquanto mantendo rendimentos previsivelmente altos. Mas, à medida que a complexidade dos processos de fabricação modernos atinge níveis sem precedentes, fica muito mais difícil manter o ritmo da inovação e, ao mesmo tempo, manter rendimentos previsíveis e princípios de design simples.

Com o nó N3 da TSMC, a diferença entre o aumento do N5 (classe de 5 nm) e o aumento do N3 (classe de 3 nm) aumentará para cerca de 2,5 anos, o que pode representar alguns desafios para o principal cliente da fundição, a Apple. A boa notícia é que o acompanhamento do N3, N3E, parece estar chegando antes do previsto. Enquanto isso, com o N2, a cadência deve se estender para cerca de três anos, o que significa em grande parte uma mudança estratégica na estratégia de desenvolvimento de nós da TSMC.

N3E: um nó de 3 nm aprimorado (quase)

O N3 da TSMC está configurado para trazer melhorias de nó completo em relação ao N5, que inclui 10% ~ 15% a mais de desempenho, 25% ~ 30% de potência redução e uma densidade de transistor até 1,7 vezes maior para lógica. Para fazer isso, ele usará mais de 14 camadas de litografia ultravioleta extrema (EUV) (o N5 usa até 14 e espera-se que o N3 use ainda mais) e introduzirá algumas novas regras de design para camadas de litografia ultravioleta profunda (DUV).

A TSMC está pronta para começar a aumentar a produção de chips usando seu nó N3 no segundo semestre do ano e entregará o primeiro comercial lote para um cliente (ou clientes) no início de 2023, quando receberá a primeira receita do N3.

Embora a tecnologia de processo N3 da TSMC tenha sido projetada para computação de alto desempenho (que é um termo que a TSMC usa para descrever aplicativos como CPUs, GPUs, FPGAs, ASICs, etc.) e smartphones em mente, há evidências de que o nó tem uma janela de processo bastante estreita, o que tornaria difícil para os desenvolvedores de chips atingirem as especificações desejadas. Isso é um problema, pois aumenta o tempo de produção e, por fim, reduz as margens. Em uma aparente tentativa de resolver o problema, a TSMC desenvolveu a versão N3E da tecnologia que amplia a janela do processo e fornece melhorias em relação ao N5.

"O N3E ampliará ainda mais nossa família N3 com desempenho, potência e rendimento aprimorados", disse C. C. Wei, diretor executivo da TSMC.

Originalmente, a TSMC planejava iniciar a fabricação de alto volume (HVM) usando N3E cerca de um ano após N3 (ou seja, no terceiro trimestre de 2023), mas nos últimos meses surgiu um boato de que a TSMC estava puxando HVM de N3E por cerca de um trimestre devido a testes de produção melhores do que o esperado. Durante sua teleconferência mais recente, a TSMC confirmou que o progresso do N3E estava adiantado e que estava considerando a produção em massa usando essa tecnologia, mas não detalhou os planos exatos.

"Nosso resultado N3E é muito bom", disse o chefe da TSMC. "O progresso está à frente do nosso cronograma. E puxar, sim, estamos considerando isso. Até agora, ainda não tinha dados muito sólidos para compartilhar com vocês quantos meses podemos fazer. Mas sim, é está em nosso plano."

Lembrando que os desenvolvedores de chips têm seus próprios cronogramas para seus projetos, é improvável que todos eles possam aproveitar a rampa N3E anterior, pois seus chips também precisam passar por todas as iterações de pré-produção. No entanto, o progresso N3E melhor do que o esperado é um bom sinal em geral, especialmente considerando o fato de que a família N3 da TSMC terá que servir ao setor por um bom tempo.

N2: Espere os primeiros chips em 2026

Na verdade, o N3 e suas iterações evolutivas continuarão sendo as ofertas de ponta da TSMC até o final de 2025, porque o cronograma N2 (classe de 2 nm) da empresa parece bastante conservador.

Quando a TSMC falou pela primeira vez sobre seu N2 em agosto de 2020, não revelou muitos detalhes sobre a tecnologia (agora sabemos que adota estrutura de transistor gate-all-around [GAA]) ou sua programação, mas indicou que construiria uma nova fábrica perto de Baoshan, Condado de Hsinchu, Taiwan, para este nó (algumas fontes chamam esta nova instalação de Fab 20). As autoridades taiwanesas aprovaram o plano de construção em meados de 2021 e esse plano incluía a construção no início de 2022 (no início deste ano, o conselho de administração da TSMC realmente aceitou dotações de capital para uma nova construção fabulosa), então acreditamos que o shell está sendo construído enquanto falamos .

A construção do shell geralmente leva um ano ou um pouco mais, então a instalação do equipamento leva mais de um ano também, então esperamos que a primeira fase do Fab 20 esteja pronta em meados de 2024, o mais tardar. A TSMC espera iniciar a produção de risco usando sua tecnologia N2 no final de 2024 e, em seguida, iniciar o HVM no final de 2025, o que significa que a diferença entre a rampa N3 inicial no terceiro trimestre de 2022 e a rampa N2 inicial no quarto trimestre de 2025 será de cerca de três anos.

"Nosso progresso até agora para o N2 está no caminho certo", disse o Sr. Wei. "Tudo o que quero dizer é, sim, no final de 2024, [N2] entrará na produção de risco. 2025, estará em produção, provavelmente perto do segundo semestre ou - ou no final de 2025. Isso é nossa agenda."

Considerando a duração dos ciclos de produção de chips modernos, é seguro dizer que os primeiros chips N2 fabricados pela TSMC chegarão aos dispositivos de consumo não antes do início de 2026.

Mas talvez as divulgações públicas da TSMC sobre N2 e Fab 20 são muito conservadores. Analistas da China Renaissance Securities parecem estar mais otimistas sobre a prontidão do Fab 20 do que a TSMC, o que pode ser um indicador de que a fundição poderia puxar N2 HVM em um quarto ou até dois se o processo de fabricação atender suas metas de desempenho, potência e rendimento.

"Também vemos mais clareza sobre o cronograma de expansão N2 da TSMC em Fab 20 (Hsinchu)", escreveu Sze Ho Ng, analista da China Renaissance Securities, em um relatório para clientes. "Espera-se que a mudança da ferramenta comece no final de 2022, com base nos planos da empresa, antes da produção de risco no final de 2024E com a Intel ('ladrilhos' gráficos do PC Lunar Lake do cliente, enquanto os 'ladrilhos' da CPU são fabricados usando Intel's 18A) e a Apple sendo os clientes-âncora para suporte de capacidade dedicada."

Enquanto isso, puxar um nó do quarto trimestre de 2025 para o terceiro trimestre de 2025, quando os clientes alfa já definiram seus planos para 2025, pode não fazer muito sentido, mas certamente veremos como as coisas funcionam com o N2.

Mais iterações N3

Este ano, os clientes da TSMC que precisam de um processo de fabricação de ponta usarão a tecnologia N4 da empresa, que pertence à família N5 (juntamente com N5, N5P, N4P e N4X ). Essencialmente, isso significa que um nó N5 continuará sendo a oferta mais avançada da TSMC por três anos consecutivos.

Os nós N3 também terão que atender os clientes da TSMC por mais três anos (2023, 2024, 2025), então vamos para ver várias iterações desse processo. Até agora, a TSMC confirmou formalmente o N3E e o N3X (que é outra tecnologia de fabricação orientada para o desempenho, semelhante ao N4X, voltado principalmente para CPUs e ASICs de datacenter), mas eu esperaria que mais nós derivados do N3 viessem para abordar os principais SoCs em 2024 ~ 2025 .

Lembrando que o N3 baseado em FinFET da TSMC terá que se manter competitivo contra o 3GAP e 2GAE/2GAP da Samsung baseado em GAA em 2023 ~ 2025 e 20A (RibbonFET + PowerVia) da Intel em 2024 e 18A (High-NA EUV) em 2025, os engenheiros da TSMC terão que ser bastante criativos com seus aprimoramentos N3.

No lado da fundição, a TSMC permanecerá à frente de seus rivais por um bom tempo, já que não se espera que a Intel invista significativamente em sua capacidade dedicada ao IFS antes de 2025 (portanto, suas capacidades 20A e 18A para clientes IFS provavelmente serão limited), enquanto a Samsung Foundry está tradicionalmente atrás da TSMC quando se trata de capacidade de ponta e prefere priorizar sua empresa-mãe e clientes estratégicos (por exemplo, Qualcomm). Mas a liderança formal da tecnologia de processo é o que os engenheiros da TSMC terão que manter com o N3 e será difícil de fazer, considerando o quão agressivas são a Intel e a Samsung.

Mudanças estão chegando

Evidentemente, o novo processo de desenvolvimento e aceleração da TSMC aumentou para dois anos e meio com N3 e aumentará para três anos com N2, o que pode ser considerado como uma grande desaceleração por seus principais clientes. Enquanto isso, o potencial pull-in do N3E é um bom sinal que mostra que a empresa pode fazer seus avanços intra-nó rapidamente. Portanto, a questão principal é quão significativos serão os avanços intra-nó da TSMC daqui para frente. Essa é uma pergunta que só o tempo responderá.

Enquanto isso, parece que com o ciclo de desenvolvimento de novos nós de três anos da TSMC, os futuros avanços intra-nós serão significativamente mais importantes para a empresa e seus clientes do que são hoje.