Proceso TSMC de 2nm ¿Qué esperamos?

TSMC está a la vanguardia de la tecnología de semiconductores, de esto no hay duda, y se ha convertido poco a poco en un competidor que ha ido superando incluso a los reyes en este terreno, como Intel y Samsung. Ahora, con su nuevo nodo de fabricación de 2nm, se entrará en una nueva era con chips más veloces y con mayor eficiencia.

TSMC: de una completa desconocida a liderar la fabricación de chips

TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), fue fundada en Taiwán en 1987 por Morris Chang. Chang, un graduado en ingeniería del MIT, y con una experiencia en la industria de 25 años previamente a fundar esta compañía. En su momento, fue una de las primeras foundries o fundiciones dedicadas a fabricar chips, sin un modelo IDM o de diseño, sino para servir como proveedor para otras compañías.

Cuando Chang se retiró en 2018, había dejado una compañía en toda la cima, 31 años después había pasada de una factoría más de Taiwán a ser uno de las claves a nivel mundial. Desde su fundación, TSMC ha experimentado un crecimiento constante y significativo. Los beneficios crecieron exponencialmente, permitiendo a la compañía a invertir en I+D, llegando a superar a los gigantes como Samsung e Intel, algo impensable cuando la compañía comenzó.

La mayoría de las principales empresas de semiconductores sin fábrica, como AMD, Apple, ARM, Broadcom, Marvell, MediaTek, Qualcomm y Nvidia, son clientes de TSMC. Hoy día la compañía es la empresa de semiconductores más valiosa del mundo, y ha expandido sus fábricas más allá de Taiwán. Lidera la industria de los semiconductores con una cuota de mercado de aproximadamente el 54% de la fabricación de chips de todo el mundo, lo que es una barbaridad.

Además, debido a algunos problemas con los nodos de Intel, que quedó atascado tras los 14nm, y demasiado tiempo estirando los 10nm, o los problemas de yield de Samsung, han conseguido que TSMC pueda ir afianzándose cómodamente como líder en nuevos nodos de fabricación, con sus 7nm, 5nm, 3nm, y ahora también con el anuncio de los 2nm, y con vistas más allá de 1nm… Este gran avance en gran media gracias a las europeas Imec y ASML.

El nuevo nodo de fabricación tendrá un impacto directo en las nuevas generaciones de CPUs y GPUs del mercado.

Ahora, TSMC, ha estado trabajando en la producción de chips de 2 nm. TSMC comenzó a investigar sobre la tecnología en 2019, con la expectativa de pasar de la arquitectura de transistores FinFET a GAAFET. Mucho mucho tiempo y recursos invertidos para volver a liderar, y parce que lo pueden conseguir.

En 2021, TSMC recibió la aprobación gubernamental para construir su planta de 2 nm y comenzó a construir un laboratorio de I+D para la tecnología de 2 nm en Hsinchu, que se esperaba que estuviera parcialmente operativo en 2021. En 2022, TSMC anunció que su tecnología de proceso GAAFET N2 entraría en la fase de producción de prueba a finales de 2024 y en la fase de producción en masa se esperaba ya para 2025, que muy probablemente el que estrene este nodo sea Apple, dado la clausula que tiene firmada con la compañía taiwanesa para ser el primero en usar los nuevos nodos.

Nuevo nodo de fabricación bajo proceso de fotolitografía de 2nm

En principio, se esperaba que la tecnología ofrezca un rendimiento un 10-15% superior con el mismo consumo, o un 20-30% menos de consumo al mismo rendimiento (ISO). Por otro lado, la densidad de transistores sería del 20% mayor en comparación con N3E, lo que significa que por cada unidad de superficie, podrá integrarse más transistores. Y, al reducir el canal con el nuevo nodo, también llegarán tiempos de switching inferiores, lo que se traduce en frecuencias de reloj más altas.

Además, las ventajas también vendrán de la mano de los nuevos transistores GAAFET (Gate-All-Arond Field-Effect Transistor), frente a los actuales FinFET. En este sentido, también tendremos algunas mejoras destacables como:

• Control mejorado: en los transistores GAAFET, el canal está rodeado por la puerta desde todos los lados, lo que permite un control electrostático superior, lo que afectará a la respuesta y a la eficiencia energética frente a los anteriores transistores de aleta que sustituyeron a los tradicionales MOSFET.
• Menor voltaje operacional: también requieren un voltaje operacional más bajo en comparación con los FinFET, lo que resulta en un menor consumo de energía.

Eso sí, no todo son buenas noticias, ya que las wafers u obleas producidas bajo este nodo aumentarán de precio de forma considerable, y habrá que ver cuál es el yield, de lo contrario, los precios de los nuevos chips podrían dispararse. Y es que, las obleas han pasado en pocos años de costar unos 15.000 dólares a los 30.000$ para este nodo cuando se trata de obleas de 300mm de diámetro, lo que significa que se ha doblado…

En abril de 2023, TSMC presentó dos procesos más de su plataforma de tecnología de 2nm:

• N2P: es una variante con mejoras en cuanto al suministro de energía, que se traslada de la parte superior del chip a la parte trasera, como también están haciendo otros como Intel y Samsung para mejorar las prestaciones y evitar los problemas de las actuales líneas metálicas. Esto estaría programado para 2026.
• N2X: otra variante para chips de alto rendimiento.

Algo habitual en TSMC, ofreciendo varias soluciones diferentes basadas en el mismo nodo madre, como ha sucedido con los procesos que  han precedido a N2.

Comparación con la competencia

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