ฟอรัมเทคโนโลยีแพลตฟอร์มทั่วไป: การทำชิปที่ 14nm และต่ำกว่า

เมื่อวานฉันเข้าร่วม Common Platform Technology Forum ที่ IBM, Globalfoundries และ Samsung นำเสนอเทคโนโลยีที่พวกเขาจะใช้ในการผลิตชิปในอนาคต กลุ่มนี้เดิมก่อตั้งขึ้นโดย IBM เพื่อกระจายเทคโนโลยีการผลิตชิปโดยพื้นฐานแล้วใช้กระบวนการพื้นฐานที่สร้างโดย IBM และคู่ค้าจากนั้นย้ายไปยัง Globalfoundries และ Samsung สำหรับการผลิตในปริมาณมาก

นี่คือไฮไลท์:

การพัฒนาเทคโนโลยีการผลิต FinnmET 14nm (การสร้างทรานซิสเตอร์แบบ 3 มิติ) ดูเหมือนจะเป็นไปได้มากที่สุดโดยโรงหล่อเริ่มผลิตในปี 2014 และผลิตภัณฑ์จากการผลิตที่มีแนวโน้มว่าจะปรากฏในปี 2558 (Intel ได้จัดส่ง FinFETs แล้ว) "Tri-Gate" ทรานซิสเตอร์บน 22nm แต่ Intel แตกต่างกันในเบื้องต้นว่ามันเป็นลูกค้าของตัวเองด้วยการออกแบบขั้นพื้นฐานเดียวและโรงหล่อต้องสนับสนุนลูกค้าในวงกว้างมากขึ้น) โปรดทราบว่าเวอร์ชันแพลตฟอร์มทั่วไปของกระบวนการนี้ Globalfoundries กล่าวถึงก่อนหน้านี้รวมเทคโนโลยี FinFET ใน "front-end" กับ "back-end" เช่นเดียวกับกระบวนการ 20nm

ในขณะที่ทุกคนเห็นพ้องต้องกันว่าการพิมพ์หินของ EUV (ultraviolet ultraviolet) เป็นสิ่งจำเป็นในอนาคต ตอนนี้มันไม่น่าจะถูกใช้จนกว่าการผลิต 7nm หรือแม้กระทั่งในภายหลัง

ที่กลุ่มแพลตฟอร์มทั่วไปเคยพูดคุยกันเกี่ยวกับการทำให้กระบวนการเหมือนกันจากผู้ผลิตแต่ละรายเพื่อให้ลูกค้าสามารถโยกย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้อย่างง่ายดายตอนนี้ดูเหมือนจะมุ่งเน้นไปที่การสร้างเทคโนโลยีกระบวนการหลักแล้วปล่อยให้แต่ละโรงหล่อ (Globalfoundries และ Samsung) ปรับแต่งพวกเขาสำหรับลูกค้าเฉพาะของพวกเขา

การย้ายไปสู่การผลิต 20nm และ 14nm จะไม่ลดต้นทุนต่อทรานซิสเตอร์เท่าที่ผู้ผลิตคาดหวังจากโหนดกระบวนการใหม่ (โดยทั่วไปคุณจะได้รับทรานซิสเตอร์สองเท่าต่อโหนด - กฎของมัวร์ - แต่มีค่าใช้จ่ายสูงกว่าเล็กน้อย) แต่ 20nm จะเพิ่มค่าใช้จ่ายมากขึ้นเพราะจะต้องใช้ "การทำซ้ำสองครั้ง" ของการพิมพ์หินเป็นครั้งแรกและโหนด 14nm ทั่วไป พันธมิตรแพลตฟอร์มกำลังพูดถึงไม่ได้หดตัวอย่างเต็มที่เพราะใช้ "แบ็คเอนด์" 20nm แต่ผู้บริหารกล่าวว่าพวกเขาคาดหวังว่าจะได้กลับไปสู่ภาวะเศรษฐกิจปกติในระยะ 10nm

นี่คือรายละเอียดบางส่วน:

Mike Cadigan รองประธานของ IBM Microelectronics ได้พูดคุยเกี่ยวกับการพัฒนาแพลตฟอร์มทั่วไปในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา มันได้หายไปจากกลุ่มที่ออกแบบมาเพื่อสร้างทางเลือกให้กับ TSMC ผู้นำโรงหล่อจนถึงปัจจุบันซึ่งรวมถึงโรงหล่อหมายเลขสองและสาม (Globalfoundries และ Samsung Semiconductor) โดยใช้เทคโนโลยีที่มาจากการวิจัยของ IBM และ บริษัท อื่น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขาชี้ไปที่ศูนย์วิจัยและพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ในอัลบานีนิวยอร์กซึ่งสร้างขึ้นร่วมกับรัฐและพันธมิตรโดยที่ IBM กำลังทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์อุปกรณ์ห้าอันดับแรกในโครงการต่าง ๆ เช่นการพัฒนา EUV

Cadigan (ด้านบน) พูดพาดพิงถึงความยากลำบากในการย้ายไปสู่เทคโนโลยีรุ่นต่อไป “ เราทุกคนอยู่บนลู่วิ่ง” เขากล่าว แต่แนะนำโมเดล Common Platform ให้สมาชิกมีความสามารถในการยกระดับการทำงานของสมาชิกและหุ้นส่วนของพวกเขา

“ อุตสาหกรรมของเรามีความสำคัญต่อสังคม” เขากล่าวโดยสังเกตว่าซิลิคอนกำลังขับทุกอย่างตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงรถยนต์ที่ขับด้วยตนเองไปจนถึงการดูแลสุขภาพใหม่ ๆ

ต่อมาในช่วงคำถามและคำตอบเขากล่าวว่ามีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในการทำงานของกลุ่มแพลตฟอร์มทั่วไปในช่วงหลายปีที่ผ่านมา กระบวนการก่อนหน้านี้เกี่ยวข้องกับไอบีเอ็มในการสร้างเทคโนโลยีขั้นพื้นฐานและนำไปทำงานในโรงงานผลิตที่ East Fishkill จากนั้นส่งต่อกระบวนการทั้งหมดไปยังคู่ค้า ตอนนี้เขากล่าวว่าเมื่อ IBM มีเทคโนโลยีขั้นพื้นฐานที่ทำงานแล้วมันจะตรงไปยัง Globalfoundries และ Samsung ซึ่งจะช่วยเร่งเวลาในการออกสู่ตลาด

IBM กล่าวว่าการทำชิปประสบความไม่ต่อเนื่องที่สำคัญ

Gary Patton รองประธานของ IBM Semiconductor Research Center และพัฒนาให้ลึกลงไปในเทคโนโลยีเพื่อหารือเกี่ยวกับความท้าทายที่ผู้ผลิตชิปเผชิญในปีต่อไป

“ เราอยู่ในช่วงไม่ต่อเนื่อง” Patton (ด้านบน) กล่าวพร้อมกับการทำชิประหว่างการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ เขากล่าวว่านี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่อุตสาหกรรมได้เห็นปัญหาดังกล่าวและจะไม่ใช่ครั้งสุดท้าย อุตสาหกรรมถึงขีด จำกัด ทางกายภาพของระนาบ CMOS และเกตออกไซด์ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุซิลิกอนและประตูเหล็กสูง ตอนนี้เขากล่าวว่าเราอยู่ที่ขีด จำกัด ของอุปกรณ์ภาพถ่ายดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้ "ยุค 3D" ทั้งในแง่ของทรานซิสเตอร์ตัวเอง (เช่น FinFET) และในบรรจุภัณฑ์โดยใช้แนวคิดเช่นการซ้อนชิป ในทศวรรษหน้าเขากล่าวว่าเราจะถึงขีด จำกัด ของขนาดอะตอมและจะต้องย้ายไปใช้เทคโนโลยีเช่นนาโนนาโนซิลิกอนท่อนาโนคาร์บอนและโฟโตนิก

เพื่อให้งานทั้งหมดนี้เป็นสิ่งสำคัญที่โรงหล่อไม่ได้ทำหน้าที่เหมือนกับ บริษัท ผลิตอีกต่อไป แต่ทำงานกับลูกค้าและซัพพลายเออร์เครื่องมือในการออกแบบ / เทคโนโลยี "การเพิ่มประสิทธิภาพร่วม" ซึ่งกระบวนการทำหน้าที่เสมือน "เสมือน IDM มากขึ้น "(ผู้ผลิตอุปกรณ์รวม)

Patton ได้สัมผัสกับความต้องการการวิจัยอย่างต่อเนื่องโดยพูดคุยเกี่ยวกับศูนย์วิจัยของไอบีเอ็มในยอร์กทาวน์อัลมาเด็นและซูริคและปีที่ยี่สิบติดต่อกัน IBM ได้รับสิทธิบัตรมากที่สุด เขาได้พูดคุยเกี่ยวกับความสำคัญของพันธมิตรเช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการชี้ไปที่ศูนย์วิจัยออลบานีนาโนเทคซึ่งถูกสร้างขึ้นด้วยความร่วมมือกับรัฐนิวยอร์กและซุนซี / ออลบานี CNSE พร้อมกับเซมาเทคและผู้จัดหาวัสดุและอุปกรณ์

การพูดคุยของเขามากมายเน้นที่ความท้าทายที่ต้องเผชิญกับ EUV ซึ่งเขาเรียกว่า "การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ของอุตสาหกรรมการพิมพ์หิน" เขาตั้งข้อสังเกตว่าถ้า EUV พร้อมที่จะไปที่ 7 นาโนเมตรมันจะสร้างภาพที่คมชัดกว่าและทำให้ชิปมีประสิทธิภาพดีกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ แต่มีความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ ในการเริ่มต้นอุปกรณ์ EUV ตอนนี้มีแหล่งพลังงานเพียง 30 วัตต์และต้องการพลังงาน 250 วัตต์เพื่อการผลิตที่คุ้มค่า ที่จะต้องมีการปรับปรุงเกือบสิบเท่า ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการจัดการกับการควบคุมข้อบกพร่องบนหน้ากาก EUV

ในขณะที่เขาอธิบายกระบวนการดูเหมือนว่าจะเป็นนิยายวิทยาศาสตร์: คุณเริ่มต้นด้วยการพ่นดีบุกเหลวที่ 150 ไมล์ต่อชั่วโมงแล้วยิงด้วยเลเซอร์ในพัลส์ก่อนเพื่อกระจายมันระเบิดด้วยเลเซอร์อีกอันเพื่อสร้างพลาสมาแล้ว กระเด้งแสงสะท้อนออกจากกระจกเพื่อสร้างลำแสงที่แท้จริงและตรวจสอบให้แน่ใจว่ามันกระทบกับเวเฟอร์ตรงจุดที่ถูกต้อง เขาเปรียบเทียบสิ่งนี้กับการพยายามตีเบสบอลในโซนหนึ่งนิ้วในจุดเดียวกันที่แน่นอนในพื้นที่ 10 พันล้านครั้งต่อวัน

IBM กำลังทำงานกับผู้ผลิตเครื่องพิมพ์หิน ASML และผู้ผลิตเครื่องกำเนิดแสง Cymer (ซึ่ง ASML กำลังอยู่ระหว่างการรับ) เพื่อช่วยเร่ง EUV สู่ตลาด ศูนย์วิจัยในอัลบานีได้รับการออกแบบให้เป็น "ศูนย์กลางของความเป็นเลิศ" และไอบีเอ็มคาดหวังว่าจะได้รับเครื่องมือภายในเดือนเมษายนนี้ Patton กล่าวว่าสิ่งนี้จะไม่พร้อมสำหรับการผลิต 14nm หรือ 10nm แต่อาจเป็น 7nm หรือใหม่กว่า

ในระหว่างนี้ IBM กำลังทำงานอย่างหนักเพื่อปรับปรุงอัตราผลตอบแทนโดยใช้การจัดรูปแบบที่หลากหลายซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้มาสก์หลายรูปแบบ ที่ 20nm สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างลวดลายสองเท่าโดยใช้มาสก์หลายตัวเพื่อสร้างรูปแบบ แต่เพื่อให้มีประสิทธิภาพนี้ต้องใช้งานจำนวนมากดังนั้น IBM จึงทำงานกับผู้จำหน่ายเครื่องมือออกแบบ (EDA) เพื่อให้ผู้ออกแบบชิปสามารถใช้การออกแบบเซลล์มาตรฐานหรือสร้างการไหลที่กำหนดเอง แต่ยังมีประสิทธิภาพมากขึ้น

เมื่อถึง 10nm เขาได้พูดคุยเกี่ยวกับการใช้เทคนิคอื่น ๆ เช่นการถ่ายโอนภาพชิด (SIT) และกำกับการชุมนุมด้วยตนเองซึ่งเคมีช่วยให้โครงร่างของทรานซิสเตอร์ แนวคิดที่นี่คือแทนที่จะใช้การจัดรูปแบบสี่เท่าคุณยังสามารถทำสองรูปแบบได้ซึ่งน่าจะแพงน้อยกว่ามาก

Patton ใช้เวลาพูดคุยกันถึงความจำเป็นในการสร้างโครงสร้างอุปกรณ์ใหม่ FinFET ที่มีอยู่ต้องดิ้นรนจากปัญหาเรื่องประสิทธิภาพและความแปรปรวน แต่ IBM กำลังพยายามสร้างแถบความถี่ที่แคบลงเพื่อปรับปรุงปัญหาเหล่านี้

ที่ 7nm ขึ้นไปเขากล่าวว่าจะต้องมีการสร้างโครงสร้างอุปกรณ์ใหม่เช่นนาโนนาโนซิลิกอนและท่อนาโนคาร์บอน ท่อนาโนคาร์บอนมีศักยภาพที่จะเสนอการปรับปรุงเป็นสิบเท่าในด้านพลังงานหรือประสิทธิภาพ แต่ก็มีความท้าทายเช่นความต้องการแยกโลหะออกจากท่อนาโนคาร์บอนเซมิคอนดักเตอร์และวางไว้ในตำแหน่งที่ถูกต้องบนชิป IBM เพิ่งประกาศว่าขณะนี้มี nanotubes คาร์บอนที่ทำงานมากกว่า 10, 000 บนชิป

สิ่งที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือการปรับปรุงการเชื่อมต่อระหว่างกันและ Patton กล่าวว่าระหว่าง 4nm ถึง 8nm อุตสาหกรรมจะย้ายไปยังนาโนโฟโตนิกส์ เขากล่าวถึงการสาธิตล่าสุดของ IBM เกี่ยวกับชิปที่รวมโฟโตนิกส์กับซิลิกอน

ท้ายที่สุดเป้าหมายคือการรวม 3D และ Photonics เข้าด้วยกันในชิปตัวเดียว แพ็ตตันสรุปโดยพูดถึงชิปที่เขาต้องการดูด้วยระนาบสามอัน: อันที่มีตรรกะพร้อมด้วยประมาณ 300 แกน; อีกหน่วยความจำ (พร้อม DRAM ในตัว 30GB); และระนาบโทนิคอื่นซึ่งให้เครือข่ายออปติคัลบนชิป

Globalfoundries และ Samsung สัญญาผลิต 14nm เวเฟอร์ในปี 2014

ตัวแทนของ Globalfoundries และ Samsung ได้พูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่พวกเขาเผชิญกับความท้าทายในการย้ายไปยัง 14nm และ FinFET

Mike Noonen รองประธานบริหารฝ่ายการตลาดการขายคุณภาพและการออกแบบสำหรับ Globalfoundries พูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่ บริษัท แนะนำกระบวนการ 20nm พลังงานต่ำในปีนี้ ได้ประกาศกระบวนการ 14XM ซึ่งใช้ FinFET 14nm พร้อมแบ็คเอนด์ที่คุ้มค่ากว่า เขากล่าวว่า Globalfoundries คาดว่าจะมีการผลิต 14nm ในช่วงต้นปีนี้โดยมีการผลิตเต็มรูปแบบของกระบวนการ 14XM ในช่วงครึ่งแรกของปี 2014

เหนือสิ่งอื่นใดนูน (เหนือ) พูดคุยเกี่ยวกับการเป็นหุ้นส่วนที่ 14XM รวมถึงการทำงานกับ Synopsys เกี่ยวกับเครื่องมือออกแบบ Rambus สำหรับการเชื่อมต่อและ ARM ด้วย IP ทางกายภาพของ Artisan เขากล่าวว่า Cortex-A9 แบบดูอัลคอร์แสดงการลดพลังงาน 62 เปอร์เซ็นต์หรือปรับปรุงประสิทธิภาพ 61% ใน 14XM เมื่อเทียบกับกระบวนการ 28SLP ของโรงหล่อ

Globalfoundries กำลังขยาย Fab 8 ในมอลตานิวยอร์กและหวังว่าจะมีการผลิตเต็มรูปแบบ 10nm (10XM) ในช่วงครึ่งหลังของปี 2558

KH Kim รองประธานบริหารของ Samsung Electronics ซึ่งเป็นหัวหน้าฝ่ายปฏิบัติการโรงหล่อของ Samsung กล่าวว่าผู้คนจำนวนมากในอุตสาหกรรมต่างสงสัยในแนวทาง "ประตูแรก" ของ Common Platform Alliance ในการผลิตประตูสูง -k / โลหะ แต่มันเป็น "ประสบความสำเร็จอย่างแท้จริง" ในการช่วยให้ บริษัท เพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่และประสิทธิภาพสำหรับโปรเซสเซอร์มือถือ

บริษัท พร้อมที่จะนำเสนอเทคโนโลยี 14nm FinFET เนื่องจากเทคโนโลยีระนาบ sub-20nm ไม่สามารถให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ Kim (ด้านบน) กล่าวว่ามีความท้าทายหลักสามประการเกี่ยวกับเทคโนโลยี FinFET: การจัดการกับความแปรปรวนของกระบวนการปัญหาความกว้างของช่องและการสร้างแบบจำลองและการแยก 3D แต่ระหว่าง IBM, Samsung และ Globalfoundries Samsung มีสิทธิบัตรและสิ่งพิมพ์จำนวนมากในเทคโนโลยี 3 มิติและกลุ่ม Common Platform ได้จัดการกับความท้าทายเหล่านี้

โดยเฉพาะอย่างยิ่งคิมพูดคุยเกี่ยวกับ "การพัฒนากระบวนการ ISDA" เพื่อแก้ไขความแปรปรวนและการต่อต้านกาฝาก การสร้างชุดการพัฒนาผ่านการทำงานร่วมกับ UC Berkeley, CMG และผู้จำหน่ายเครื่องมือ Synopsys, Cadence และ Mentor Graphics และการออกใบอนุญาต IP จาก ARM, Synopsys และ Analog Bits เพื่อให้การออกแบบชิปง่ายขึ้นเพื่อสร้างการออกแบบระบบ 14nm บนชิป

การทำงานกับ ARM และ Cadence เขากล่าวว่า Samsung ได้สร้างการออกแบบ Cortex-A7 เป็นครั้งแรกด้วย FinFET และพร้อมที่จะนำเสนอ FinFET ให้กับลูกค้า ปีนี้เป็นปีสำหรับการตรวจสอบและออกแบบเป็นหลักคิมกล่าวพร้อมผลิตเต็มรูปแบบในปีหน้า เขายังกล่าวอีกว่า Samsung ปัจจุบันมีโรงหล่อสองแห่งคือ S1 ในเกาหลีและ S2 ในออสติน, เท็กซัส กำลังสร้างโรงงานแห่งใหม่ในเกาหลีที่มุ่งผลิต 20nm และ 14nm ซึ่งมีกำหนดจะเริ่มดำเนินการในปลายปี 2557 หรือต้นปี 2558

ในเซสชั่นคำถามและคำตอบ Cadigan ได้กล่าวถึงปัญหาในการเคลื่อนย้ายเวเฟอร์ 450 มม. สำหรับการผลิตชิปเมื่อเทียบกับเวเฟอร์ 300 มม. ที่ตอนนี้เป็นเรื่องธรรมดา เขาตั้งข้อสังเกตว่ากลุ่ม บริษัท ใหม่กำลังพัฒนาเทคโนโลยี 450 มม. ในอัลบานีนิวยอร์กและกล่าวว่าในขณะที่เวลายังคงอยู่ในอากาศเขาคาดว่าการปรับใช้ในอุตสาหกรรมขนาด 450 มม. จะเป็น เขากล่าวว่าเขาคาดหวังว่า EUV จะเข้าสู่ตลาดเป็นครั้งแรกใน 350 มม. และหลังจากนั้นไม่นานที่ 450 มม.

นูนสรุปว่าเซสชั่นโดยเรียกการทำชิป "ธุรกิจที่ซับซ้อนที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ" และเป็นที่ชัดเจนว่ามันเกี่ยวข้องกับการคิดค้นเทคโนโลยีที่น่าทึ่งมากมาย