I närmare ett decennium har kontraktstillverkaren TSMC dominerat tillverkning i spjutspetsen, men nu söker processorjätten Intel och nykomlingen Rapidus att slå sig in med sina respektive tekniker i 2-nanometersklassen. Icke att förglömma är den idag etablerade tvåan Samsung, som efter flera hundår hoppas vinna kundernas gunst med sitt dito.
Nu rapporterar Korea Economic Daily att Samsung med sin 2-nanometersteknik fått tillräckligt med råg i ryggen för att försöka sig på ett storkliv direkt till 1 nanometer – och samtidigt introducera transistortypen Forksheet. Enligt rapporten planerar Samsung Foundry för att göra klar forskning och utveckling (FoU) av 1-nanometersprocessen och gå in i massproduktion som senast 2030.
Att Samsung avser gå direkt över till 1 nanometer och hoppa över 1,4 nanometer – det kliv såväl TSMC som Rapidus och Intel planerar för – är i sig inte nödvändigtvis en överraskning. Efter tidigare tillverkningsproblem ska bolaget ha valt skrinlägga 1,4 nanometer och fokusera på 2 nanometer, vars framgång väntas vara avgörande för Samsung Foundrys framtid. Om så är fallet skulle Samsung om de återupptog utvecklingen nu bli sena till marknaden, varför ett logiskt steg vore att gå direkt över till 1 nanometer.
Samtidigt som planerna ur ett marknadsperspektiv låter rimliga är det svårt att inte blicka bakåt, där högtflygande ambitioner blev slutet för bolagets närvaro i spjutspetsen. I hopp om att springa om TSMC lanserade Samsung sin 3-nanometersteknik sommaren 2022, ett halvår före den taiwanesiska rivalen, och introducerade på detta den nya transistortypen Gate-All-Around Field-Effect-Transistor (GAAFET). Tillverkningsprocessen visade sig dock vara långtifrån redo för produktion och det tog två år innan Samsung fick rätsida på tekniken – och ens ville använda den själva. När bolaget nu lanserat sin 2-nanometersteknik behöver de börja om från scratch med att bygga en kundstock i behov av transistorer i världsklass.
Vid övergången från 2 till 1 nanometer ska således Forksheet se dagens ljus, som är en vidareutveckling av GAAFET. Med GAAFET lyfts transistorkanalerna och omgärdas av transistorgrindar, vilket ger bättre elektrostatisk kontroll och möjliggör för lägre drivspänning än föregångaren FinFET där transistorgrindar endast omgärdar tre sidor av kanalerna.
Till skillnad från GAAFET, där NMOS- och PMOS-transistorer ligger bredvid varandra, placeras de med Forksheet mycket närmare och separeras av en tunn dielektrisk vägg, som till utseendet kan liknas vid en gaffel – därav engelskans fork. Målet är att placera NMOS och PMOS ännu närmare utan att de stör varandra. Allt lika ger Forksheet högre transistordensitet än GAAFET, men är som alla nya transistortekniker mer komplex att tillverka.
Ytterligare en fundamental utmaning med Forksheet som möjliggör för fler transistorer är att mer värme koncentreras på en mindre yta (W/mm²). Då Forksheet bygger vidare på GAAFET är förhoppningen inom industrin att den senares fördelar jämfört med FinFET ska motverka detta. Nämnas ska att GAAFET trots dess fördelar introducerade nya utmaningar med värmeavledning och detta förvärras med Forksheet. Jämte en bra tillverkningsteknik kommer detta ställa högre krav på EDA-verktyg och kretsdesigners för att sprida hotspots över större delar av kretsen.
Där Samsung planerar ännu en chansning blir övergången till 1 nanometer mer naturlig för TSMC, som planerar lansera sin motsvarighet under perioden 2030/2031 och dessförinnan ha en 1,4-nanometersteknik i produktion. Även TSMC avser att i samband med 1 nanometer introducera Forksheet-transistorer.
Sett till uppstickarna avser Rapidus att gå in i produktion på 1,4 nanometer år 2029 och följa upp med 1 nanometer i början av 2032. Intel å sin sida avtäckte tidigt 2024 planerna om sin motsvarande teknik, Intel 10A, men har sedan dess valt att inte tala mer om den öppet. Utåt sett är fokus befintliga Intel 18A (1,8 nanometer) och framtida Intel 14A (1,4 nanometer), som väntas gå in i produktion 2028. Vad gäller framtiden beror det helt på kundstöd, men här talar mycket för att bolaget får draghjälp av den amerikanska regeringen som i allt högre utsträckning förespråkar produkter ”Made in USA”.
