Op 13 september 2023, tijdens Apple's herfstconferentie over de lancering van nieuwe producten, werd 's werelds eerste 3nm-chip A17Pro gelanceerd samen met de iPhone15Pro-serie, die nog steeds wordt geproduceerd door Apple's oude vriend TSMC. Vóór de release van deze chip had iedereen er hoge verwachtingen van. Vergeleken met kleine knooppunten zoals 4 nm is 3 nm een ​​andere belangrijke procesiteratie na 5 nm. Terugkijkend op het verleden zal elke grote upgrade van het proces een nieuwe substantiële verbetering van de chipprestaties met zich meebrengen, en hetzelfde zou moeten gelden voor 3nm.


Maar er gebeurde een ongeluk. De verbetering van deze zogenaamd krachtige A17Pro-chip was niet zo groot als iedereen had gedacht. In plaats daarvan veranderde het verwarmingsprobleem van de iPhone15Pro Apple in een "drakenfruit".

Moet TSMC dus verantwoordelijk zijn voor de hitte?

Warmteafvoer die onweerstaanbaar is

Al snel kwam iemand TSMC ondersteunen. Tianfeng International-analist Ming-Chi Kuo heeft vandaag een artikel gepubliceerd waarin het huidige oververhittingsprobleem van Apple's iPhone 15 Pro mobiele telefoon wordt uitgelegd en stelt dat dit "niets te maken heeft met het 3nm-proces van TSMC."

Ming-Chi Kuo zei dat het oververhittingsprobleem van de iPhone 15 Pro-serie niets te maken heeft met het 3nm-proces van TSMC. Dit is waarschijnlijk vooral te wijten aan het compromis in het ontwerp van het warmteafvoersysteem om het lichter te maken, zoals een kleiner warmteafvoeroppervlak en het gebruik van een titaniumlegering die het warmteafvoereffect beïnvloedt.

Hier is uiteraard niets mis mee. Volgens de huidige demontage gebruikt de iPhone 15 Pro nog steeds een dubbellaags moederbord, met een ROM-chip aan de achterkant en een basisbandchip aan de voorkant. Het zijn allemaal chips die veel warmte genereren. Ze in elkaar zetten is alsof je de A17 Pro naast een kampvuur laat staan. Als de lading groot is, wordt de brand groter. Niet alleen zal de processor op een lagere frequentie werken, maar de gebruiker zal al snel de hitte van de telefoon voelen.


Bovendien verergert het frame van titaniumlegering dat Apple lange tijd op deze persconferentie heeft gepromoot het probleem van de slechte warmteafvoer van de vermomde iPhone. De thermische geleidbaarheid van titanium is λ = 15,24 W/(m.K), wat ongeveer 1/4 nikkel, 1/5 ijzer en 1/14 aluminium is. De thermische geleidbaarheid van deze titaniumlegering is ongeveer 50% lager dan die van puur titanium. Dit betekent dat, hoewel de iPhone 15 Pro lichter is, de warmteafvoer niet zo goed is als het frame van aluminiumlegering van de iPhone 15 en het roestvrijstalen frame van de iPhone 14 Pro.

De woorden van Ming-Chi Kuo zijn echter niet alomvattend. Volgens binnenlandse Geek Bay-tests is de batterijduur van iPhone 15 Pro en iPhone 15 Pro Max achteruitgegaan in vergelijking met de vorige generatie, met ongeveer tientallen minuten. Op basis van een lichte toename van de batterijcapaciteit is de levensduur van de batterij verkort. Naast de prestatieplanning van de processor zelf, ligt het probleem mogelijk nog steeds in de energie-efficiëntie van de A17 Pro zelf.

Volgens de chipdemontage van Techinsights is het oppervlak van elke prestatiekern en efficiëntiekern van A17Pro, vergeleken met A16, met 20% verminderd, is het gebied van elke GPU-kern met 5% vergroot en is de algehele GPU-kern met 20% vergroot. Dankzij de vooruitgang van de procestechnologie is het totale oppervlak van de A17Pro-chip enigszins gekrompen, maar het aantal transistors heeft een nieuw hoogtepunt van 19 miljard bereikt, een stijging van bijna 20% vergeleken met de 16 miljard transistors van de vorige generatie. De mogelijkheid om zo’n grote upgrade te voltooien is onmisbaar voor het 3nm-proces van TSMC.


Volgens de officiële aankondiging van Apple zijn de algehele prestaties van de CPU van de A17Pro echter slechts ongeveer 10% hoger dan die van de vorige generatie. De verbetering van 20% in de GPU is grotendeels te danken aan de verandering van 5 cores naar 6 cores. Alleen de NPU heeft de grootste verbetering. De rekenkracht is geüpgraded van 17TOPS naar 35TOPS. Het is niet moeilijk te raden dat de werkelijke omvang ervan veel groter is geworden. Bovendien, de toevoeging van de nieuwe USB3-controller, dit zijn de belangrijkste upgradepunten van de A17Pro, en deze heeft niet de grote sprong gemaakt die veel mensen hadden verwacht.

Toen A17Pro zijn mythische halo verloor, werd ook de 3 nm van TSMC in twijfel getrokken.

FinFET is uitgeput

Waarom draaide TSMC, dat op 4nm nog soepel liep, om als het om 3nm ging?

Op 5 nm gebruiken zowel TSMC als Samsung FinFET-technologie (Fin Field Effect Transistor) om de stroom die door de transistor vloeit te regelen. Deze technologie kan de doorgang van elektronen van "drie kanten" regelen (zoals hieronder weergegeven). Als de elektronen niet goed worden gecontroleerd en rondlopen, zal dit lekkage veroorzaken, wat op zijn beurt de temperatuur van de telefoon zal verhogen.

Om de stroom beter te kunnen controleren, hebben de twee halfgeleidergiganten een technologie ontwikkeld om de doorgang van elektronen van "alle kanten" te controleren, genaamd GAA (Gate-All-Around), om lekkage verder te voorkomen. Bij het 3 nm-knooppunt koos TSMC er echter voor om het FinFET-proces te blijven gebruiken en pas op 2 nm over te schakelen naar GAA. Samsung was de eerste die GAA op 3nm introduceerde. Hoewel het nog niet in massaproductie is, wordt verwacht dat het een beter stroomverbruik en een betere dichtheid zal opleveren dan FinFET.

In 2011 paste Intel voor het eerst 22 nm FinFET-technologie toe op zijn IvyBridge-microarchitectuurprocessor. In 2014 introduceerden TSMC en Samsung voor het eerst FinFET-technologie in het 16/14nm-proces. In de daaropvolgende jaren werd FinFET een populaire technologie voor veel waferfabrieken. Traditionele vlakke processen konden niet voldoen aan de behoeften van geavanceerde processen, en de wet van Moore werd opnieuw voortgezet.

Maar binnen een paar jaar, onder het 7nm-proces, werd het probleem van statische lekkage steeds ernstiger, en verdwenen het stroomverbruik en de prestatievoordelen van de oorspronkelijke procesevolutie geleidelijk. Het is een consensus geworden dat FinFET niet kan voldoen aan de behoeften van 3 nm en meer geavanceerde processen. Wanneer GAA moet worden geïntroduceerd, is voor veel mensen de focus geworden. Intel en TSMC kozen ervoor om FinFET op 3 nm te blijven gebruiken, terwijl Samsung, dat een concurrentienadeel heeft, besloot GAA-technologie op 3 nm te introduceren in een poging meer klanten te winnen.

Op het TSMC Technology Seminar in augustus 2020 zei TSMC dat het een grote update heeft doorgevoerd in zijn FinFET-technologie. N3, of 3nm, zal een uitgebreide en verbeterde versie van FinFET gebruiken, met prestatieverbeteringen tot 50% en energieverbruikreducties tot 30%; de dichtheidswinst is 1,7 keer hoger dan die van N5. Er moet echter worden opgemerkt dat deze vergelijking slechts een vergelijking is tussen de eerste generatie N3 en N5. Nadat N5 na meerdere iteratieronden was geüpgraded naar de nieuwste N4, was de daadwerkelijke verbetering niet zo geweldig als aangekondigd op het seminar.

Terugkijkend op GAA noemt TSMC het nanosheetFET, en Intel noemt het RibbonFET. De essentie van deze technologieën is hetzelfde, namelijk om de vin van FinFET 90° te draaien en vervolgens meerdere vinnen horizontaal te stapelen. Deze vinnen gaan allemaal door de poort – of zijn geheel omgeven door de poort, daarom heet het ‘gateallaround’. Bovendien is elke omgedraaide vin als een vel, en het zijn allemaal kanalen, dus ze worden ook wel nanosheetFET genoemd.


Vanuit structureel oogpunt is het contactoppervlak tussen de poort en het kanaal van de GAAFET-transistor groter geworden en is er contact aan elke kant, wat een betere schakelcontrole mogelijk maakt dan FinFET. En voor FinFET is de breedte van de vin een vaste waarde; maar voor GAAFET zijn de breedte van de plaat zelf en de effectieve kanaalbreedte flexibel. Een bredere plaat zal uiteraard een hogere aandrijfstroom en prestatie bereiken, terwijl een smallere plaat een kleiner oppervlak zal innemen.

De reden waarom TSMC geen GAA in 3nm gebruikt, is niet moeilijk te begrijpen, qua kosten en technologie. De kosten bestaan ​​uit de kapitaalinvestering in nieuwe fabrieken en nieuwe faciliteiten, en technologie, zoals de mobiliteit van lagere gaten in op silicium gebaseerde kanalen, resulteert in slechte pFET-prestaties. IBM verklaarde op de vorige IEDM dat de oplossing voor dit probleem ligt in het silicium-germanium (SiGe) kanaalmateriaal dat pFET drukspanning kan uitoefenen: "Het pFET silicium-germanium-kanaal kan een mobiliteitstoename van 40% bereiken, een prestatievoordeel van 10% vergeleken met op silicium gebaseerde kanalen, en heeft een lagere drempelspanning (Vt), en de prestaties bij negatieve bias-temperatuurinstabiliteit (NBTI) zijn ook verbeterd."

Natuurlijk zijn de voordelen van GAA niet duidelijk, wat ook een van de zorgen van TSMC kan zijn. Samsung heeft eerder gesproken over het 3nmGAA-proces en de voordelen ervan ten opzichte van 4nmFinFET in termen van frequentie en energieverbruik, zoals weergegeven in de onderstaande figuur, maar de figuur geeft geen absolute en relatieve waarden. Er wordt alleen in algemene termen gesproken. Vergeleken met 4nmFinFET-transistors kan 3nmGAA hogere frequenties bereiken onder dezelfde effectieve kanaalbreedte (Weff, breedte van vin/blad x aantal vinnen/blad); tegelijkertijd kan het een lager energieverbruik bereiken.


Om verschillende redenen besloot TSMC GAA alleen in 2nm te gebruiken. 3nm werd de laatste generatie FinFET, die ook de weg vrijmaakte voor de omverwerping van A17Pro.

Het ernstiger probleem is natuurlijk het rendement. Volgens gegevens van HiInvestment&Securities wordt het rendement op 3 nm van Samsung geschat op meer dan 60%. Ter vergelijking: het 3 nm-rendement van TSMC is ongeveer 55%. Het rendement van de nieuwe technologie is bijna hetzelfde als het rendement van de oude technologie, wat mensen doet afvragen. De 'sweetheart deal' tussen Apple en TSMC die een paar maanden geleden aan het licht kwam, begon: Apple plaatste een enorme order voor 3nm-chips bij TSMC, maar eiste dat de kosten van ondermaatse chips door TSMC zelf zouden worden gedragen. Apple hoeft alleen maar te betalen voor goede chips. Sommige media zeiden dat Apple op deze manier elk jaar miljarden dollars kan besparen.

Als het rendement hoog genoeg is, hoeft Apple geen speciale reis te maken om deze deal met TSMC te bereiken. Sinds TSMC in 2022 3 nm in massa produceerde, heeft het rendement nog steeds niet het bedrijfsresultaat van Apple bereikt, en zijn de prestaties op het gebied van energieverbruik nu niet ideaal. Of meer klanten overtuigd kunnen worden om een ​​dergelijk proces te accepteren waarbij de prijzen weer stijgen, kan het grote probleem zijn dat TSMC in 2024 moet oplossen.

Wie loopt voorop in 3nm?

Momenteel produceert TSMC nog steeds N3B, het eerste generatie 3nm-proces voor Apple. Het voordeel van dit proces is een aanzienlijke toename van de transistordichtheid, dat wil zeggen de 19 miljard transistors die door A17Pro worden bereikt. N3E, dat volgend jaar wordt gelanceerd, zal iets minder goed zijn qua transistordichtheid, maar idealer qua beheersing van het energieverbruik. Veel fabrikanten, waaronder Apple, zijn geïnteresseerd in het overnemen van dit proces. Als TSMC het rendement tegen die tijd aanzienlijk kan verbeteren, denk ik dat er nog steeds een eindeloze stroom Fabless-fabrikanten aan de deur zal komen.

Maar Samsung heeft de 3nm van GAA al in de gaten gehouden. Zodra TSMC een fout maakt, kunnen de orders die er oorspronkelijk toe behoorden naar zijn oude rivalen vloeien. Deze situatie heeft zich al voorgedaan in 16nm en 7nm. Nu 3nm in behandeling is, bestaat de mogelijkheid dat dit opnieuw zal gebeuren.

3nm is een kleine hindernis die TSMC dringend moet overwinnen.