13 सितंबर, 2023 को, Apple के शरदकालीन नए उत्पाद लॉन्च सम्मेलन में, दुनिया की पहली 3nm चिप A17Pro को iPhone15Pro श्रृंखला के साथ लॉन्च किया गया था, जो अभी भी Apple के पुराने मित्र TSMC द्वारा निर्मित है। इस चिप के रिलीज होने से पहले सभी को इससे काफी उम्मीदें थीं. 4nm जैसे छोटे नोड्स की तुलना में, 5nm के बाद 3nm एक और महत्वपूर्ण प्रक्रिया पुनरावृत्ति है। पिछले इतिहास को देखते हुए, प्रक्रिया के हर बड़े उन्नयन से चिप के प्रदर्शन में एक और महत्वपूर्ण सुधार आएगा, और 3nm के लिए भी यही सच होना चाहिए।
लेकिन एक हादसा हो गया. इस कथित शक्तिशाली A17Pro चिप का सुधार उतना बढ़िया नहीं था जितना सभी ने सोचा था। इसके बजाय, iPhone15Pro की हीटिंग समस्या ने Apple को "ड्रैगन फ्रूट" में बदल दिया।
तो, क्या टीएसएमसी को गर्मी के लिए ज़िम्मेदार होना चाहिए?
ऊष्मा अपव्यय जो अप्रतिरोध्य है
जल्द ही कोई टीएसएमसी का समर्थन करने आया। तियानफेंग अंतर्राष्ट्रीय विश्लेषक मिंग-ची कुओ ने आज एक लेख प्रकाशित किया जिसमें एप्पल के आईफोन 15 प्रो मोबाइल फोन की मौजूदा ओवरहीटिंग समस्या को समझाया गया और कहा गया कि इसका "टीएसएमसी की 3एनएम प्रक्रिया से कोई लेना-देना नहीं है।"
मिंग-ची कुओ ने कहा कि iPhone 15 Pro सीरीज की ओवरहीटिंग समस्या का TSMC की 3nm प्रक्रिया से कोई लेना-देना नहीं है। यह संभवतः मुख्य रूप से गर्मी अपव्यय प्रणाली के डिज़ाइन को हल्का बनाने के लिए किए गए समझौते के कारण है, जैसे कि एक छोटा गर्मी अपव्यय क्षेत्र और टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग जो गर्मी अपव्यय प्रभाव को प्रभावित करता है।
निःसंदेह, इसमें कुछ भी गलत नहीं है। वर्तमान डिस्सेम्बली के अनुसार, iPhone 15 Pro अभी भी एक डबल-लेयर मदरबोर्ड का उपयोग करता है, जिसमें पीछे की तरफ ROM चिप और सामने एक बेसबैंड चिप है। ये सभी चिप्स हैं जो बहुत अधिक गर्मी पैदा करते हैं। उन्हें एक साथ रखना A17 प्रो को कैम्प फायर के बगल में रहने देने जैसा है। अगर बोझ ज्यादा होगा तो आग भी बड़ी हो जाएगी. न केवल प्रोसेसर कम आवृत्ति पर चलेगा, बल्कि उपयोगकर्ता को जल्द ही फोन की गर्मी का एहसास होगा।
इसके अलावा, Apple ने इस प्रेस कॉन्फ्रेंस में जिस टाइटेनियम मिश्र धातु फ्रेम को लंबे समय तक प्रचारित किया है, वह वास्तव में iPhone की खराब गर्मी लंपटता की समस्या को बढ़ा देता है। टाइटेनियम की तापीय चालकता λ = 15.24W/(m.K) है, जो लगभग 1/4 निकल, 1/5 लोहा और 1/14 एल्यूमीनियम है। इस टाइटेनियम मिश्र धातु की तापीय चालकता शुद्ध टाइटेनियम की तुलना में लगभग 50% कम है। इसका मतलब यह है कि हालांकि iPhone 15 Pro हल्का है, लेकिन गर्मी अपव्यय iPhone 15 के एल्यूमीनियम मिश्र धातु फ्रेम और iPhone 14 Pro के स्टेनलेस स्टील फ्रेम जितना अच्छा नहीं है।
हालाँकि, मिंग-ची कू के शब्द व्यापक नहीं हैं। घरेलू गीक बे परीक्षणों के अनुसार, iPhone 15 Pro और iPhone 15 Pro Max की बैटरी लाइफ पिछली पीढ़ी की तुलना में लगभग दर्जनों मिनट कम हो गई है। बैटरी क्षमता में मामूली वृद्धि के आधार पर, बैटरी जीवन कम कर दिया गया है। प्रोसेसर के प्रदर्शन शेड्यूलिंग के अलावा, समस्या अभी भी A17 प्रो की ऊर्जा दक्षता में हो सकती है।
Techinsights के चिप टियरडाउन के अनुसार, A16 की तुलना में, A17Pro के प्रत्येक प्रदर्शन कोर और दक्षता कोर का क्षेत्र 20% कम हो गया है, प्रत्येक GPU कोर का क्षेत्र 5% बढ़ गया है, और समग्र GPU कोर 20% बढ़ गया है। प्रक्रिया प्रौद्योगिकी की प्रगति के कारण, A17Pro चिप का समग्र क्षेत्र थोड़ा कम हो गया है, लेकिन ट्रांजिस्टर की संख्या 19 बिलियन की नई ऊंचाई पर पहुंच गई है, जो पिछली पीढ़ी के 16 बिलियन ट्रांजिस्टर की तुलना में लगभग 20% की वृद्धि है। इतने बड़े अपग्रेड को पूरा करने की क्षमता TSMC की 3nm प्रक्रिया के लिए अपरिहार्य है।
हालाँकि, Apple की आधिकारिक घोषणा के अनुसार, A17Pro के CPU का समग्र प्रदर्शन पिछली पीढ़ी की तुलना में केवल 10% अधिक है। GPU में 20% सुधार मुख्य रूप से 5 कोर से 6 कोर में परिवर्तन के कारण है। केवल एनपीयू में सबसे बड़ा सुधार हुआ है। कंप्यूटिंग शक्ति को 17TOPS से 35TOPS तक अपग्रेड किया गया है। यह अंदाजा लगाना मुश्किल नहीं है कि इसका वास्तविक पैमाना काफी बड़ा हो गया है. इसके अलावा, नए USB3 नियंत्रक के अलावा, ये A17Pro के मुख्य उन्नयन बिंदु हैं, और इसने वह महत्वपूर्ण छलांग पूरी नहीं की है जिसकी कई लोगों को उम्मीद थी।
जब A17Pro ने अपना पौराणिक प्रभामंडल खो दिया, तो TSMC के 3nm पर भी सवाल उठाया गया।
फिनफेट समाप्त हो गया है
TSMC, जो अभी भी 4nm पर सुचारू रूप से चल रहा था, 3nm पर आते ही पलट क्यों गया?
5 एनएम पर, टीएसएमसी और सैमसंग दोनों ट्रांजिस्टर के माध्यम से बहने वाले वर्तमान को नियंत्रित करने के लिए फिनफेट (फिन फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर) तकनीक का उपयोग करते हैं। यह तकनीक "तीन तरफ" से इलेक्ट्रॉनों के पारित होने को नियंत्रित कर सकती है (जैसा कि नीचे दिखाया गया है)। यदि इलेक्ट्रॉनों को अच्छी तरह से नियंत्रित नहीं किया जाता है और वे चारों ओर घूमते हैं, तो यह रिसाव का कारण बनेगा, जिसके परिणामस्वरूप फोन का तापमान बढ़ जाएगा।
करंट को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए, दो अर्धचालक दिग्गजों ने रिसाव को और रोकने के लिए "सभी तरफ" से इलेक्ट्रॉनों के पारित होने को नियंत्रित करने के लिए एक तकनीक विकसित की है, जिसे जीएए (गेट-ऑल-अराउंड) कहा जाता है। हालाँकि, 3nm नोड पर, TSMC ने FinFET प्रक्रिया का उपयोग जारी रखना चुना और 2nm तक GAA में परिवर्तित नहीं हुआ। सैमसंग 3nm पर GAA पेश करने वाला पहला था। हालाँकि अभी तक इसका बड़े पैमाने पर उत्पादन नहीं किया गया है, लेकिन उम्मीद है कि यह फिनफेट की तुलना में बेहतर बिजली की खपत और घनत्व प्रदान करेगा।
2011 में, Intel ने पहली बार अपने IvyBridge माइक्रोआर्किटेक्चर प्रोसेसर में 22nm FinFET तकनीक लागू की। 2014 में, TSMC और Samsung ने पहली बार 16/14nm प्रक्रिया में FinFET तकनीक पेश की। बाद के वर्षों में, फिनफेट कई वेफर कारखानों के लिए एक लोकप्रिय तकनीक बन गई। पारंपरिक तलीय प्रक्रियाएँ उन्नत प्रक्रियाओं की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकीं और मूर का नियम एक बार फिर जारी रहा।
लेकिन कुछ वर्षों के भीतर, 7nm प्रक्रिया के नीचे, स्थैतिक रिसाव की समस्या अधिक से अधिक गंभीर हो गई, और मूल प्रक्रिया विकास की बिजली की खपत और प्रदर्शन लाभांश धीरे-धीरे गायब हो गए। यह आम सहमति बन गई है कि फिनफेट 3एनएम और अधिक उन्नत प्रक्रियाओं की जरूरतों को पूरा नहीं कर सकता है। GAA को कब लागू किया जाए यह कई लोगों का फोकस बन गया है। इंटेल और टीएसएमसी ने 3एनएम पर फिनफेट का उपयोग जारी रखने का फैसला किया, जबकि सैमसंग, जो प्रतिस्पर्धी नुकसान में है, ने अधिक ग्राहकों को जीतने के प्रयास में 3एनएम पर जीएए तकनीक पेश करने का मन बनाया।
अगस्त 2020 में टीएसएमसी टेक्नोलॉजी सेमिनार में, टीएसएमसी ने कहा कि उसने अपनी फिनफेट तकनीक में एक बड़ा अपडेट किया है। N3, या 3nm, FinFET के एक विस्तारित और बेहतर संस्करण का उपयोग करेगा, जिसमें 50% तक का प्रदर्शन लाभ और 3 0% तक की बिजली खपत में कमी होगी, घनत्व लाभ N5 की तुलना में 1.7 गुना अधिक है। हालाँकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह तुलना केवल पहली पीढ़ी के N3 और N5 के बीच की तुलना है। कई दौर के पुनरावृत्तियों के बाद N5 को नवीनतम N4 में अपग्रेड किया गया, वास्तविक सुधार उतना अद्भुत नहीं था जितना सेमिनार में घोषित किया गया था।
GAA को देखते हुए, TSMC इसे नैनोशीटFET कहता है, और Intel इसे RibbonFET कहता है। इन प्रौद्योगिकियों का सार एक ही है, जो कि फिनफेट के पंख को 90° मोड़ना है, और फिर कई पंखों को क्षैतिज रूप से ढेर करना है। ये सभी पंख गेट से होकर गुजरते हैं - या पूरी तरह से गेट से घिरे होते हैं, इसलिए इसे गेटऑलअराउंड कहा जाता है। इसके अलावा, प्रत्येक फ्लिप्ड फिन एक शीट की तरह है, और वे सभी चैनल हैं, इसलिए उन्हें नैनोशीटएफईटी भी कहा जाता है।
संरचनात्मक दृष्टिकोण से, GAAFET ट्रांजिस्टर के गेट और चैनल के बीच संपर्क क्षेत्र बड़ा हो गया है, और प्रत्येक तरफ संपर्क है, जो FinFET की तुलना में बेहतर स्विचिंग नियंत्रण को सक्षम बनाता है। और फिनफेट के लिए, फिन की चौड़ाई एक निश्चित मान है; लेकिन GAAFET के लिए, शीट की चौड़ाई और प्रभावी चैनल की चौड़ाई लचीली है। एक चौड़ी शीट स्वाभाविक रूप से उच्च ड्राइव करंट और प्रदर्शन प्राप्त करेगी, जबकि एक संकीर्ण शीट एक छोटे क्षेत्र पर कब्जा कर लेगी।
टीएसएमसी 3एनएम में जीएए का उपयोग क्यों नहीं करता है इसका कारण, लागत और प्रौद्योगिकी को समझना मुश्किल नहीं है। लागत नए कारखानों और नई सुविधाओं में पूंजी निवेश है, और प्रौद्योगिकी, जैसे सिलिकॉन-आधारित चैनलों में कम छेद गतिशीलता, खराब पीएफईटी प्रदर्शन का परिणाम है। आईबीएम ने पिछले आईईडीएम में कहा था कि इस समस्या का समाधान सिलिकॉन जर्मेनियम (SiGe) चैनल सामग्री में निहित है, जिसे pFET संपीड़ित तनाव लागू कर सकता है: "pFET सिलिकॉन जर्मेनियम चैनल 40% गतिशीलता वृद्धि, सिलिकॉन-आधारित चैनलों की तुलना में 10% प्रदर्शन लाभ प्राप्त कर सकता है, और इसमें कम थ्रेशोल्ड वोल्टेज (Vt) है, और नकारात्मक पूर्वाग्रह तापमान अस्थिरता (NBTI) प्रदर्शन में भी सुधार हुआ है।"
बेशक, GAA के लाभ स्पष्ट नहीं हैं, जो TSMC की चिंताओं में से एक भी हो सकता है। सैमसंग ने पहले 3nmGAA प्रक्रिया और आवृत्ति और बिजली की खपत के मामले में 4nmFinFET पर इसके फायदों के बारे में बात की है, जैसा कि नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है, लेकिन यह आंकड़ा पूर्ण और सापेक्ष मूल्य प्रदान नहीं करता है। यह केवल सामान्य शब्दों में बोलता है। 4nmFinFET ट्रांजिस्टर की तुलना में, 3nmGAA समान प्रभावी चैनल चौड़ाई (वेफ, फिन/शीट की चौड़ाई × फिन/शीट की संख्या) के तहत उच्च आवृत्तियों को प्राप्त कर सकता है; साथ ही, यह कम बिजली की खपत हासिल कर सकता है।
विभिन्न कारणों से TSMC ने केवल 2nm में GAA का उपयोग करने का मन बनाया। 3nm, FinFET की आखिरी पीढ़ी बन गई, जिसने A17Pro के पतन का मार्ग भी प्रशस्त किया।
बेशक, अधिक गंभीर समस्या उपज दर है। HiInvestment&Securities के आंकड़ों के अनुसार, सैमसंग की 3nm उपज दर 60% से अधिक होने का अनुमान है। इसकी तुलना में, TSMC की 3nm उपज दर लगभग 55% है। नई तकनीक की उपज दर पुरानी तकनीक की उपज दर के लगभग समान है, जो लोगों को आश्चर्यचकित करती है। Apple और TSMC के बीच "स्वीटहार्ट डील" जो कुछ महीने पहले उजागर हुई थी, शुरू हुई: Apple ने TSMC के साथ 3nm चिप्स के लिए एक बड़ा ऑर्डर दिया, लेकिन इसके लिए आवश्यक था कि घटिया चिप्स की लागत TSMC द्वारा ही वहन की जाए। Apple को केवल अच्छे चिप्स के लिए भुगतान करना होगा। कुछ मीडिया ने कहा कि इस तरह एप्पल हर साल अरबों डॉलर बचा सकता है.
यदि उपज दर पर्याप्त अधिक है, तो Apple को TSMC के साथ इस सौदे तक पहुंचने के लिए विशेष यात्रा करने की कोई आवश्यकता नहीं है। चूंकि TSMC ने 2022 में 3nm का बड़े पैमाने पर उत्पादन किया, उपज दर अभी भी Apple की निचली रेखा तक नहीं पहुंची है, और ऊर्जा खपत प्रदर्शन अब आदर्श नहीं है। कीमतें फिर से बढ़ने के साथ क्या अधिक ग्राहकों को ऐसी प्रक्रिया को स्वीकार करने के लिए राजी किया जा सकता है, यह बड़ी समस्या हो सकती है जिसे टीएसएमसी को 2024 में हल करने की आवश्यकता है।
3nm में मार्ग का नेतृत्व कौन करता है?
वर्तमान में, TSMC अभी भी Apple के लिए पहली पीढ़ी की 3nm प्रक्रिया N3B का निर्माण करती है। इस प्रक्रिया का लाभ ट्रांजिस्टर घनत्व में उल्लेखनीय वृद्धि है, यानी A17Pro द्वारा प्राप्त 19 बिलियन ट्रांजिस्टर। N3E, जिसे अगले साल लॉन्च किया जाएगा, ट्रांजिस्टर घनत्व में थोड़ा कमतर होगा, लेकिन बिजली खपत नियंत्रण के मामले में अधिक आदर्श होगा। Apple समेत कई निर्माता इस प्रक्रिया को अपनाने में रुचि रखते हैं। यदि टीएसएमसी तब तक उपज दर में उल्लेखनीय सुधार कर सकता है, तो मेरा मानना है कि अभी भी दरवाजे पर आने वाले फैबलेस निर्माताओं की एक अंतहीन धारा होगी।
लेकिन सैमसंग पहले से ही GAA के 3nm पर नजर गड़ाए हुए है। एक बार जब टीएसएमसी गलती करता है, तो जो ऑर्डर मूल रूप से उसके थे, वे उसके पुराने प्रतिद्वंद्वियों के पास जा सकते हैं। यह स्थिति 16nm और 7nm में पहले ही हो चुकी है। अब जबकि 3एनएम लंबित है, संभावना है कि यह फिर से होगा।
3nm एक छोटी सी बाधा है जिसे TSMC को तत्काल दूर करने की आवश्यकता है।