Forum comun pentru tehnologia platformei: fabricarea cipurilor la 14 nm și mai jos

Ieri am participat la Forumul comun pentru tehnologie, unde IBM, Globalfoundries și Samsung au prezentat tehnologia pe care o vor folosi pentru fabricarea cipurilor în viitor. Acest grup, inițial creat de IBM pentru a distribui tehnologiile sale de fabricare a cipurilor, ia în esență un proces de bază creat de IBM și partenerii săi, apoi îl mută la Globalfoundries și Samsung pentru producția cu volum mare.

Iată cele mai importante elemente:

Dezvoltarea tehnologiei de proces FinFET de 14 nm (crearea de tranzistoare similare 3D) pare să fie pe cale, cel mai probabil cu turnările care încep producția în 2014 și produsele bazate pe această producție probabil să apară până în 2015. (Intel deja livrează FinFET-uri, pe care le numește Tranzistoare "Tri-Gate", pe 22nm, dar Intel este diferit prin faptul că este în primul rând propriul său client, cu un singur design de bază, iar turnătoriile trebuie să sprijine o gamă mult mai largă de clienți.) Rețineți că versiunea Platformă comună a acestui proces, așa cum a discutat anterior de Globalfoundries, combină tehnologia FinFET pe „front-end” cu același „back-end” ca și procesul său de 20 de nm.

Deși toată lumea este de acord cu litografia EUV (ultraviolete extreme) va fi necesară cândva în viitor, este nevoie de mai mult timp pentru a se dezvolta și pentru a face față mai multor probleme decât se aștepta. Acum nu este probabil să fie utilizat până la producția de 7 nm sau chiar mai târziu.

În cazul în care grupul Common Platform a vorbit odată despre crearea proceselor sale identice de la fiecare dintre producătorii săi, astfel încât clienții să poată migra de la unul la altul cu ușurință, accentul pare acum să fie crearea unei tehnologii de proces de bază și apoi să se lase turnările individuale (Globalfoundries și Samsung) personalizați-le pentru clienții lor specifici.

Migrarea la 20nm și 14nm producție nu va crea la fel de mult reducerea costurilor pe tranzistor, așa cum producătorii s-au așteptat la noi noduri de proces. (În mod obișnuit, obțineți de două ori mai multe tranzistoare pe nod - Legea lui Moore - dar cu un cost ușor mai mare.) Însă 20nm adaugă mai mult cost pentru că va necesita „modelarea dublă” a litografiei pentru prima dată, iar nodul de 14nm cel comun Despre partenerii platformei despre care vorbim nu este într-adevăr o contracție deplină, deoarece folosește „back-end” de 20nm. Însă directorii au spus că se așteaptă să revină la economia normală în trecerea la 10 milimetri.

Iată câteva detalii:

Mike Cadigan, VP al IBM Microelectronics, a vorbit despre cum a evoluat platforma comună în ultimii 10 ani. S-a trecut de la un grup conceput pentru a crea o alternativă pentru liderul de turnătorie TSMC la unul care include acum turnările numărul doi și trei (Globalfoundries și Samsung Semiconductor), bazat pe tehnologia care vine din cercetarea IBM și celelalte companii. În special, el a arătat către o nouă instalație de cercetare și dezvoltare a semiconductorilor din Albany, NY, construită în comun cu statul și partenerii, unde IBM lucrează acum cu cei mai mari cinci furnizori de echipamente la proiecte precum dezvoltarea EUV.

Cadigan (de mai sus) a făcut aluzie la dificultatea de a trece la următoarea generație de tehnologie. „Cu toții suntem pe o banda de alergare”, a spus el, însă a sugerat că modelul Platformei comune oferă membrilor săi capacitatea de a folosi munca depusă de către membri și partenerii lor.

„Industria noastră este vitală pentru societate”, a spus el, remarcând modul în care siliconul conduce totul, de la smartphone-uri până la autovehiculele auto până la noile servicii medicale.

Ulterior, într-o sesiune de întrebări și răspunsuri, el a spus că au fost schimbări semnificative în modul în care grupul Platformă comună funcționează de-a lungul anilor. Procesul anterior a implicat IBM crearea tehnologiei de bază și punerea ei în funcțiune în uzina sa de producție East Fishkill, apoi a transmis întregul proces partenerilor săi. Acum, a spus el, odată ce IBM are tehnologia de bază, funcționează direct la Globalfoundries și Samsung, grăbind timpul de comercializare.

IBM spune că producerea de cipuri se confruntă cu discontinuități majore

Gary Patton, vicepreședinte al Centrului de Cercetare și Dezvoltare IBM Semiconductor, a oferit o adâncime profundă în tehnologie, discutând despre provocările cu care se confruntă producătorii de cipuri în anii următori.

„Ne aflăm într-o discontinuitate”, a spus Patton (mai sus), cu modificările majore ale cipurilor. El a spus că nu este prima dată când industria a văzut astfel de probleme și nici nu va fi ultima. Industria a atins limitele fizice ale CMOS planar și ale oxidului de poartă, așa că a trebuit să se mute către silicon încovoiat și materiale cu porți metalice cu nivel înalt / k. Acum, a spus el, suntem la limita dispozitivelor plane, deci trebuie să trecem la „era 3D”, atât în ​​ceea ce privește tranzistorii înșiși (adică FinFET), cât și în ambalaje folosind concepte precum stivuirea cipurilor. În următorul deceniu, a spus el, vom ajunge la limita dimensiunilor atomice și va trebui să ne îndreptăm către tehnologii precum nanofilele de siliciu, nanotuburile de carbon și fotonica.

Pentru a face toată această lucrare, este important ca turnătoriile să nu mai acționeze la fel ca companiile producătoare, ci să lucreze cu clienții lor și furnizorii de instrumente într-o „co-optimizare” de design / tehnologie, în care procesul acționează mai mult ca un „IDM virtual "(Producător de dispozitive integrate).

Patton a atras necesitatea continuării cercetărilor, vorbind despre facilitățile de cercetare ale IBM din Yorktown, Almaden și Zurich și despre modul în care, pentru al douăzeci de ani consecutiv, IBM a primit cele mai multe brevete. El a vorbit despre importanța partenerilor și, în special, a punctat Facilitatea de cercetare Albany Nanotech, care a fost construită în parteneriat cu statul New York și Suny / Albany CNSE, împreună cu Sematech și o serie de furnizori de materiale și echipamente.

O mare parte din discuțiile sale s-au concentrat pe provocările cu care se confruntă EUV, pe care a numit-o „cea mai mare schimbare din istoria industriei litografiei”. El a menționat că, dacă EUV este gata să meargă la 7 nm, va produce imagini mai clare și, prin urmare, va avea performanțe mai bune decât alte tehnologii. Există însă mari provocări. Pentru început, echipamentele EUV au acum doar o sursă de energie de 30 de wați și trebuie să ajungă la 250 de wați pentru o producție rentabilă. Aceasta ar necesita o îmbunătățire de aproape zece ori. O altă problemă este abordarea controlului defectelor pe masca EUV.

Așa cum a descris procesul, pare aproape ficțiune științifică: Începeți prin a pulveriza staniu topit la 150 de mile pe oră, loviți-l cu un laser într-un pre-puls pentru a-l distribui, blastând cu un alt laser pentru a crea o plasmă și apoi săriți oglinzile de la lumina pentru a crea raza de lumină reală și asigurați-vă că aceasta lovește placa în punctul potrivit. El a comparat acest lucru cu încercarea de a lovi un baseball într-o zonă de un inch în exact același loc în tribune de 10 miliarde de ori pe zi.

IBM lucrează cu producătorul de litografie ASML și cu producătorul de surse de lumină Cymer (pe care ASML este în proces de achiziție) pentru a ajuta la lansarea pe piață a EUV. Unitatea de cercetare din Albany este proiectată să fie un „centru de excelență” și IBM speră acum să obțină instrumente acolo până în aprilie. Patton a spus că acest lucru nu va fi pregătit pentru producția de 14 nm sau 10 nm, dar poate fi pentru 7 nm sau mai târziu.

Între timp, IBM lucrează mult cu îmbunătățirea randamentelor folosind modelări multiple, ceea ce implică utilizarea mai multor măști. La 20nm, aceasta implică modelarea dublă, unde mai multe măști sunt utilizate pentru a crea tiparele. Dar pentru a face acest lucru eficient necesită multă muncă, astfel încât IBM a lucrat cu furnizorii de proiectare de instrumente (EDA), astfel încât designerii de cipuri să poată lua un flux de design celular standard sau să creeze un flux personalizat, dar să fie totuși mai eficienți.

La 10 nm, a vorbit despre utilizarea altor tehnici, cum ar fi transferul de imagini cu pereți laterali (SIT) și auto-asamblare direcționată, unde chimia ajută la dispunerea tranzistorului. Ideea de aici este că în loc de modelare cvadruplă, puteți face totuși modele duble, care ar trebui să fie mult mai puțin costisitoare.

Patton a petrecut, de asemenea, mult timp vorbind despre modul în care sunt necesare noi structuri de dispozitiv. FinFET-urile existente se confruntă cu probleme de performanță și variabilitate, dar IBM lucrează la crearea unor benzi mai restrânse pentru a îmbunătăți aceste probleme.

La 7 nm și mai mult, a spus el, vor fi necesare noi structuri ale dispozitivului, cum ar fi nanofilurile de siliciu și nanotuburile de carbon. Nanotuburile de carbon au potențialul de a oferi o îmbunătățire de zece ori a puterii sau a performanței, dar are propriile sale provocări, cum ar fi nevoia de a separa metalul de nanotuburile de carbon cu semiconductor și de a-l așeza la locul potrivit pe cip. IBM a anunțat recent că acum are peste 10.000 de nanotuburi de carbon funcționate pe un cip.

Un alt domeniu de interes este îmbunătățirea interconectărilor, iar Patton a spus că între 4nm și 8 nm, industria va trece la nanofotonică. El a discutat despre demonstrația recentă a IBM de un cip care combină fotonica cu siliconul.

În final, obiectivul este să integreze 3D și fotonica împreună pe un singur cip. Patton a încheiat vorbind despre un cip pe care ar dori să îl vadă cu trei avioane: unul cu logică cu aproximativ 300 de nuclee; alta cu memorie (cu 30 GB DRAM încorporat); și un alt plan fotonic, care furnizează o rețea optică on-chip.

Globalfoundries și Samsung promit producția completă de napolitane de 14 nm în 2014

Reprezentanții atât ai Globalfoundries, cât și ai Samsung au vorbit despre modul în care au întâmpinat provocările de a trece la 14nm și FinFETs.

Mike Noonen, vicepreședinte executiv de marketing, vânzări, calitate și design pentru Globalfoundries, a vorbit despre modul în care compania introduce un proces de 20nm cu putere redusă în acest an. Și-a anunțat deja procesul de 14XM, care utilizează FinFET-uri de 14 nm cu un back-end mai rentabil. El a spus că Globalfoundries se așteaptă să aibă o producție timpurie de 14 mil. În acest an, cu producția completă a procesului 14XM în prima jumătate a anului 2014.

Printre altele, Noonen (mai sus) a vorbit despre parteneriate la 14XM, inclusiv lucrul cu Synopsys la instrumentele de proiectare, Rambus pentru interconectări și ARM cu IP-ul său fizic Artisan. El a spus că un Cortex-A9 dual-core arată o reducere a puterii de 62% sau o îmbunătățire a performanței de 61% la 14XM în comparație cu procesul de turnare 28SLP.

Privind și mai departe, Globalfoundries își extinde Fab 8 în Malta, NY și speră să aibă o producție completă de 10 milimetri (10XM) în a doua jumătate a anului 2015.

KH Kim, VP executiv al Samsung Electronics, care conduce operațiunile de turnătorie Samsung, a declarat că o mulțime de oameni din industrie au fost sceptici față de abordarea „poartă-primă” a Common Platform Alliance în ceea ce privește fabricarea de porți metalice high-k / metal, dar că a fost „într-adevăr de succes” în a ajuta compania să crească durata de viață a bateriei și performanțele procesoarelor mobile.

Compania este pregătită să ofere tehnologie FinFET de 14 nm, deoarece tehnologiile planare sub-20nm nu pot oferi performanțe acceptabile. Kim (mai sus) a spus că există trei provocări principale ale tehnologiilor FinFET: abordarea variațiilor proceselor, problemele de lățime a canalului și modelarea și extragerea 3D. Însă, între IBM, Samsung și Globalfoundries, Samsung are numărul principal de brevete și publicații în tehnologie 3D și, prin urmare, grupul comun de platforme a abordat aceste provocări.

În special, Kim a vorbit despre o „dezvoltare a procesului ISDA” pentru a aborda variația și rezistența parazitară; crearea unui kit de dezvoltare prin lucrul cu UC Berkeley, CMG și furnizorii de instrumente Synopsys, Cadence și Mentor Graphics; și licențiere IP de la ARM, Synopsys și Analog Bits, pentru a facilita proiectarea cip-urilor să creeze modele de 14nm System-on-Chip.

Lucrând cu ARM și Cadence, el a spus că Samsung a creat primele modele Cortex-A7 cu FinFET-uri și este gata să ofere FinFET-urilor clienților săi. Anul acesta este în principal un an pentru validare și design, a spus Kim, producția completă urmând ca anul viitor. El a mai menționat că Samsung are în prezent două turnătorii, S1 în Coreea și S2 în Austin, Texas. Construiește o fabulă nouă în Coreea, destinată producției de 20 de miliarde și 14 de miliarde de metri, care va începe să funcționeze la sfârșitul anului 2014 sau la începutul anului 2015.

Într-o sesiune de întrebări și răspunsuri, Cadigan a abordat problemele mutării la napolitane de 450 mm pentru producerea de cipuri, în comparație cu napolitele de 300 mm care sunt acum comune. El a menționat un nou consorțiu care dezvoltă o tehnologie de 450 mm în Albany, NY și a spus că, deși timpul este încă în aer, se așteaptă ca adoptarea industriei de 450 mm să fie „spre ultima parte a acestui deceniu”. El a spus că se va aștepta ca EUV să vină pe piață mai întâi în 350mm și la scurt timp după 450mm.

Noonen a încheiat acea sesiune numind „fabricarea cipurilor” cea mai complexă afacere din istoria omenirii și este clar că implică o serie de descoperiri tehnologice uimitoare.