3 nm
3 nm () — в производстве полупроводников 3-нм процесс является следующей ступенью миниатюризации техпроцесса после 5-нанометрового. По состоянию на 2022 год тайваньский производитель микросхем TSMC планирует запустить в серийное производство 3-нм полупроводниковый узел под названием N3 ко второй половине 2022 года. Усовершенствованный 3-нм процесс производства микросхем под названием N3e может начаться в 2023 году. Южнокорейский производитель микросхем Samsung официально ориентируется на те же сроки, что и TSMC (по состоянию на май 2022 года), с началом производства 3 нм в первой половине 2022 года с использованием технологии 3GAE и 3-нм техпроцессом 2-го поколения (3GAP), который последует в 2023 году, в то время как, согласно другим источникам, 3-нм-технологический процесс Samsung дебютирует в 2024 году. Американский производитель Intel планирует начать 3-нм производство в 2023.

3-нм технологический процесс Samsung основан на технологии GAAFET (gate-all-around field-effect transistor), процесс TSMC по-прежнему будет использовать технологию FinFET (fin field-effect transistor), несмотря на то, что TSMC разработала GAAFET-транзистор. В частности, Samsung планирует использовать свой собственный вариант GAAFET под названием MBCFET (многомостовый полевой транзистор). 3-нм техпроцесс Intel (получивший название «Intel 3» без суффикса «nm») будет использовать усовершенствованную, улучшенную и оптимизированную версию технологии FinFET: с увеличенной производительностью на ватт, использованием EUV-литографии, увеличением мощности микросхемы и её площади.

Термин «3 нанометра» не имеет отношения к физической характеристике транзисторов (такой как длина затвора, шаг металлических проводников или шаг затвора) . Согласно прогнозам, содержащимся в обновлении Международной плане для устройств и систем на 2021 год, опубликованном Ассоциацией стандартов IEEE Industry Connection, ожидается, что 3-нанометровый узел будет иметь шаг контактного затвора 48 нанометров и максимально плотный шаг металла 24 нанометра. Однако в реальной коммерческой практике «3 нм» используется в основном как маркетинговый термин отдельными производителями микросхем для обозначения нового улучшенного поколения кремниевых полупроводниковых чипов с увеличением плотности транзисторов (то есть большей степени миниатюризации), увеличением скорости и снижением энергопотребления. Более того, нет единого соглашения о том, какие числа считать 3-нм процессом. Обычно производитель ссылается на свой предыдущий технологический узел (в данном случае на 5-нм технологический узел) для сравнения. Например, TSMC заявила, что ее 3-нм чипы FinFET снизят энергопотребление на 25-30 % при той же скорости, увеличат скорость на 10-15 % при той же мощности и увеличат плотность транзисторов примерно на 33 % по сравнению с предыдущими 5-нм чипами FinFET. Samsung заявила, что ее 3-нм техпроцесс снизит энергопотребление на 45 %, улучшит производительность на 23 % и уменьшит площадь поверхности на 16 % по сравнению с предыдущим 5-нм техпроцессом.

EUV продолжает использоваться в 3 нм, однако требует мультипаттернинга.

История

Демонстрации исследований и технологий 
В 1985 году исследовательская группа Nippon Telegraph and Telephone (NTT) изготовила устройство MOSFET (NMOS) с длиной канала 150 нм и толщиной оксида затвора 2,5 нм. В 1998 году исследовательская группа Advanced Micro Devices (AMD) изготовила устройство MOSFET (NMOS) с каналом длина 50 нм и толщиной оксида 1,3 нм.

В 2003 году исследовательская группа NEC изготовила первые МОП-транзисторы с длиной канала 3 нм, используя процессы PMOS и NMOS. В 2006 году команда из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Национального центра нанотехнологий разработала многозатворный MOSFET шириной 3 нм, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство, основанное на технологии gate-all-around (GAAFET).

Коммерческое применение 
В конце 2016 года TSMC объявила о планах строительства завода по производству полупроводниковых узлов 5 нм-3 нм с совместными инвестициями в размере около 15,7 млрд долларов США.

В 2017 году TSMC объявила о начале строительства завода по производству полупроводников 3 нм в научном парке Тайнань на Тайване. TSMC планирует начать массовое производство 3-нм технологического узла в 2023.

В начале 2018 года ИМЕК (бельгийский Межвузовский центр микроэлектроники) и компания Cadence заявили, что они подготовили дизайны для 3-нм тестовых чипов с с использованием экстремальной ультрафиолетовой (EUV) и 193-нм иммерсионной литографии.

В начале 2019 года Samsung представила планы по производству 3-нм GAAFET в 2021 году, намереваясь использовать собственную структуру нанолистовых транзисторов MBCFET и обеспечивая увеличение производительности на 35 %, снижение мощности на 50 % и уменьшение площади на 45 % по сравнению с 7 нм. Дорожная карта Samsung по производству полупроводников также включала продукты с 8, 7, 6, 5 и 4-нм процессами.

В декабре 2019 года Intel объявила о планах по производству 3 нм в 2025 году.

В январе 2020 года Samsung объявила о производстве первого в мире прототипа 3-нм GAAFET-процесса и заявила, что планирует массовое производство в 2021 году.

В августе 2020 года TSMC объявила подробности своего 3-нм процесса N3, который является скорее обновлением 5-нм процесса N5. N3 должен обеспечить на 10-15 % (1,10-1,15×) увеличение производительности или на 25-35 % (1,25-1,35×) снижение энергопотребления при увеличении плотности логики в 1,7 раза.

В июне 2022 года на технологическом симпозиуме компания TSMC поделилась подробностями своего технологического процесса N3E, запланированного к массовому производству в 2023 H2 и позволяющего: увеличить плотность логических транзисторов в 1,6 раза, физических транзисторов в 1,3 раза, увеличить производительность на 10-15 % при заявленной мощности или снизить потребление на 30-35 % при той же производительности по сравнению с TSMC N5 v1.0. Заявлена технология FinFLEX, позволяющая смешивать библиотеки с разной высотой дорожки внутри блока. TSMC также представила новые разновидности 3-нм-технологических процессов: высокоплотный вариант N3S, высокопроизводительные варианты N3P и N3X, а также N3RF для радиочастотных приложений.

В июне 2022 года Samsung начала пробное производство маломощного высокопроизводительного чипа с использованием 3-нм технологического процесса с архитектурой GAA. Согласно отраслевым источникам, Qualcomm зарезервировала часть производственных мощностей 3 нм у Samsung.

25 июля 2022 года Samsung отпраздновала первую поставку 3-нм универсальных чипов для китайской компании по добыче криптовалют PanSemi. Было показано, что недавно введенный 3-нм техпроцесс MBCFET обеспечивает на 16 % более высокую плотность транзисторов, на 23 % более высокую производительность или на 45 % меньшую потребляемую мощность по сравнению с неназванным 5-нм техпроцессом. Цели 3-нм техпроцесса второго поколения включают увеличение плотности транзисторов на 35 %, дальнейшее снижение потребляемой мощности до 50 % или повышение производительности на 30 %.

12 сентября 2023 года компания Apple заявила о использовании 3-нм мобильных процессоров Apple A17 Pro, содержащих 19 миллиардов транзисторов в титановых iPhone 15.

3-нм технологические процессы на рынке

Примечания

Электронная промышленность
Технологии электроники
Микроэлектроника