Yhteinen alustateknologiafoorumi: sirujen valmistus aallonpituudella 14 nm ja alle

Kävin eilen Common Platform Technology Forum -tapahtumassa, jossa IBM, Globalfoundries ja Samsung esittelivät tekniikan, jota he käyttävät tulevaisuudessa sirujen valmistukseen. Tämä ryhmä, jonka IBM on alun perin perustanut sirunvalmistustekniikoidensa jakeluun, vie pääosin IBM: n ja sen kumppaneiden luoman perusprosessin ja siirtää sen sitten Globalfoundriesille ja Samsungille suuren volyymin valmistukseen.

Tässä on kohokohtia:

14 nanometrin FinFET-prosessitekniikan kehitys (3D-kaltaisten transistorien luominen) näyttää olevan tiellä, todennäköisesti valimoiden aloittaessa tuotannon vuonna 2014 ja siihen perustuvien tuotteiden todennäköisesti ilmestyvän vuoteen 2015 mennessä. (Intel toimittaa jo FinFET-tuotteita, joita se kutsuu "Tri-Gate" -transistorit, 22 nm: llä, mutta Intel eroaa siinä, että se on ensisijaisesti oma asiakas, jolla on yksi perussuunnittelu ja valimoiden on tuettava paljon laajempaa asiakaskuntaa.) Huomaa, että tämän prosessin Common Platform -versio, kuten Globalfoundries on aiemmin puhunut, yhdistää FinFET-tekniikan "käyttöliittymässä" samaan "taustaan" kuin sen 20 nm: n prosessi.

Vaikka kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että EUV: n (äärimmäisen ultravioletti) litografia tarvitaan joskus tulevaisuudessa, kehittäminen ja odotettavissa olevien ongelmien ratkaiseminen vie kauemmin. Nyt sitä ei todennäköisesti käytetä ennen kuin 7nm: n tuotanto tai jopa myöhemmin.

Kun Common Platform -ryhmä puhui kerran prosessiensa yhdenmukaistamisesta jokaiselta valmistajaltaan, jotta asiakkaat voisivat helposti siirtyä yhdestä toiseen, keskittyy nyt keskittymään ydinprosessiteknologian luomiseen ja sitten yksittäisten valimoiden (Globalfoundries ja Samsung) vuokraamiseen. räätälöi ne omille asiakkailleen.

Siirtyminen 20 nm: n ja 14 nm: n tuotantoon ei vähennä yhtä paljon kustannuksia transistoria kohden, kuin valmistajat ovat odottaneet uusista prosessisolmuista. (Tyypillisesti saat kaksinkertaisen määrän transistoreita per solmu - Mooren laki - mutta hieman korkeammilla kustannuksilla.) Mutta 20 nm lisää lisäkustannuksia, koska se vaatii litografian "kaksinkertaisen mallinnuksen" ensimmäistä kertaa, ja 14 nm solmu yhteisen. Platform-kumppanit puhuvat ole oikeastaan ​​täydellinen kutistuminen, koska se käyttää 20 nm: n "back-end". Mutta avainhenkilöt sanoivat odottavansa takaisin normaaliin talouteen siirtyessään 10 nm: iin.

Tässä on joitain yksityiskohtia:

Mike Cadigan, IBM Microelectronicsin varapuheenjohtaja, puhui siitä, kuinka yhteinen alusta on kehittynyt viimeisen 10 vuoden aikana. Se on siirtynyt ryhmästä, jonka tarkoituksena on luoda vaihtoehto valimojohtaja TSMC: lle, sellaiseen, joka sisältää nyt kaksi ja kolme valimoa (Globalfoundries ja Samsung Semiconductor). Perustuu tekniikkaan, joka tulee IBM: n tutkimuksesta ja muista yrityksistä. Erityisesti hän huomautti uudesta puolijohteiden tutkimus- ja kehityslaitoksesta Albanyssa, New Yorkissa, joka on rakennettu yhdessä valtion ja kumppaneiden kanssa, missä IBM työskentelee nyt viiden parhaan laitetoimittajan kanssa EUV: n kehittämisprojekteissa.

Cadigan (yllä) viittasi vaikeuteen siirtyä seuraavan sukupolven tekniikkaan. "Me kaikki olemme juoksumatolla", hän sanoi, mutta ehdotti, että Common Platform -malli antaa sen jäsenille mahdollisuuden hyödyntää jäsenten ja heidän kumppaneidensa työtä.

"Teollisuutemme on elintärkeää yhteiskunnalle", hän sanoi ja huomautti, kuinka pii piirtää älypuhelimista itse kuljettaviin autoihin uusiin terveydenhuoltoon.

Myöhemmin kysymys-vastaus -istunnossa hän kertoi, että Common Platform -ryhmän toiminta on muuttunut huomattavasti vuosien mittaan. Aikaisempi prosessi sisälsi sen, että IBM loi perustekniikan ja asetti sen toimimaan East Fishkillin tuotantolaitoksessaan, minkä jälkeen se välitti koko prosessin kumppaneilleen. Nyt hän sanoi, että kun IBM: llä on perustekniikka toiminut, se menee suoraan Globalfoundriesille ja Samsungille ja nopeuttaa markkinoille saattamista.

IBM sanoo, että sirujen valmistus kohtaa suuria epäjatkuvuuksia

IBM Semiconductorin tutkimus- ja kehityskeskuksen varapuheenjohtaja Gary Patton sukelsi syvästi teknologiaan ja keskusteli siruvalmistajien tulevaisuuden haasteista.

"Olemme epäjatkuvuudessa", sanoi Patton (yllä), sirujen valmistuksessa tapahtuvan suuri muutos. Hän sanoi, että tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun teollisuus on nähnyt tällaisia ​​asioita, eikä se ole myöskään viimeinen. Teollisuus saavutti tasomaisen CMOS: n ja porttioksidin fysikaaliset rajat, joten sen piti siirtyä kireälle piille ja korkean k / metallin hilamateriaaleille. Nyt hän sanoi, että olemme tasomaisten laitteiden raja-alueella, joten meidän on siirryttävä "3D-aikakauteen", sekä transistorien (eli FinFET) suhteen että pakkaamiseen käyttämällä käsitteitä, kuten sirun pinoamista. Hänen mukaansa seuraavan vuosikymmenen aikana saavutamme atomisten ulottuvuuksien rajan ja meidän on siirryttävä tekniikoihin, kuten piinanojohdot, hiilinanoputket ja fotoniikka.

Kaikkien tämän työn tekemiseksi on tärkeää, että valimot eivät enää toimi vain valmistusyhtiöinä, vaan työskentelevät asiakkaidensa ja työkalutoimittajien kanssa suunnittelun / tekniikan "yhteisoptimoinnissa", jossa prosessi toimii enemmän kuin "virtuaali-IDM" "(Integroitu laitevalmistaja).

Patton kosketti jatkotutkimuksen tarvetta puhumalla IBM: n tutkimuslaitoksista Yorktownissa, Almadenissa ja Zürichissä ja siitä, kuinka IBM: lle on jo kahdentenakymmenentenä vuonna peräkkäin myönnetty eniten patentteja. Hän puhui myös kumppaneiden tärkeydestä ja viittasi erityisesti Albany Nanotech Research Facility -yritykseen, joka rakennettiin yhteistyössä New Yorkin osavaltion ja Suny / Albany CNSE: n, Sematechin ja joukon materiaalien ja laitteiden toimittajien kanssa.

Suuri osa hänen puheestaan ​​keskittyi EUV: n kohtaamiin haasteisiin, joita hän kutsui "suurimmaksi muutokseksi litografiateollisuuden historiassa". Hän huomautti, että jos EUV on valmis menemään 7 nm: ssä, se tuottaa terävämpiä kuvia ja siten paremmin toimivia siruja kuin muut tekniikat. Mutta siellä on suuria haasteita. Ensinnäkin EUV-laitteissa on nyt vain 30 watin virtalähde, ja sen on saavutettava 250 wattia kustannustehokkaaseen tuotantoon. Se vaatisi lähes kymmenkertaista parannusta. Toinen aihe liittyy EUV-maskin vikojen hallintaan.

Kuten hän kuvaa prosessia, se näyttää melkein kuin tieteiskirjallisuus: Aloitat suihkuttamalla sulaa tinaa 150 mailia tunnissa, lyömällä sitä laserilla esipulssissa levittääksesi sitä, räjäytä toisella laserilla plasman luomiseksi ja sitten pompitse valon peilit todellisen valonsäteen luomiseksi ja varmista, että se osuu kiekkoon oikeaan pisteeseen. Hän vertasi tätä yrittämällä lyödä baseballin yhden tuuman vyöhykkeellä täsmälleen samaan kohtaan osastoilla 10 miljardia kertaa päivässä.

IBM työskentelee litografian valmistajan ASML: n ja valonlähdevalmistajan Cymerin kanssa (jota ASML on parhaillaan hankkimassa) auttamaan EUV: n nopeuttamisessa markkinoille. Albanyn tutkimuslaitos on suunniteltu "huippuosaamiskeskukseksi", ja IBM toivoo saavansa työkalut sinne huhtikuuhun mennessä. Patton sanoi, että tämä ei ole valmis 14 nm: n tai 10 nm: n tuotantoon, mutta se voi olla 7 nm: n tai uudempi.

Sillä välin IBM tekee paljon työtä satojen parantamiseksi käyttämällä useita kuvioita, mikä tarkoittaa useiden maskojen käyttöä. 20 nm kohdalla tähän sisältyy kaksinkertainen kuviointi, jossa kuvioiden luomiseen käytetään useita maskeja. Tämän tehokkuuden lisääminen vaatii kuitenkin paljon työtä, joten IBM on työskennellyt työkalusuunnittelijoiden (EDA) kanssa, jotta sirujen suunnittelijat voivat ottaa standardin solujen suunnitteluprosessin tai luoda mukautetun vuon, mutta silti olla tehokkaampia.

Klo 10 nm hän puhui muiden tekniikoiden, kuten sivuseinämän kuvansiirron (SIT) ja suunnatun itsekokoonpanon käytöstä, missä kemia auttaa transistorin asettelua. Ideana on, että nelinkertaisen kuvioinnin sijaan voit silti tehdä kaksinkertaisen kuvioinnin, jonka pitäisi olla paljon halvempaa.

Patton vietti myös paljon aikaa puhumalla siitä, kuinka uusia laiterakenteita tarvitaan. Nykyiset FinFET-ohjelmat kamppailevat suorituskykyyn ja vaihtelevuuteen liittyvien ongelmien kanssa, mutta IBM pyrkii luomaan kapeampia kaistoja parantaakseen näitä ongelmia.

Hän sanoi, että seitsemän nm: n aallonpituudella ja sen jälkeen tarvitaan uusia laiterakenteita, kuten pii-nanojohdot ja hiilinanoputket. Hiilinanoputkilla on potentiaalia tarjota kymmenkertainen parannus joko tehossa tai suorituskyvyssä, mutta sillä on omat haasteensa, kuten tarve erottaa metalli puolijohdehiilen nanoputkista ja sijoittaa se oikeaan kohtaan siruun. IBM ilmoitti äskettäin, että sillä on nyt yli 10 000 hiilinanoputkea sirulla.

Toinen kiinnostava alue on yhteyksien parantaminen, ja Pattonin mukaan teollisuus siirtyy nanofotoniaan 4–8 nm. Hän keskusteli IBM: n äskettäisestä demonista piiristä, jossa yhdistyvät fotoniikka piin kanssa.

Viime kädessä tavoitteena on integroida 3D ja fotoniikka yhdeksi siruksi. Patton päätti puhumalla sirusta, jonka hän haluaisi nähdä kolmella koneella: toisessa logiikassa on noin 300 ydintä; toisella muistilla (30 Gt: n upotetulla DRAMilla); ja toisen fotonisen tason, joka tarjoaa sirulla olevan optisen verkon.

Globalfoundries ja Samsung edistävät 14 nm: n kiekkojen täydellistä tuotantoa vuonna 2014

Sekä Globalfoundriesin että Samsungin edustajat puhuivat kuinka he vastasivat haasteisiin siirtymisessä 14 nm ja FinFETs-verkkoihin.

Globalfoundriesin markkinoinnin, myynnin, laadun ja suunnittelun varatoimitusjohtaja Mike Noonen puhui siitä, kuinka yritys ottaa käyttöön pienitehoisen 20 nm prosessin tänä vuonna. Se on jo ilmoittanut 14XM-prosessistaan, joka käyttää 14 nm: n FinFET-tekniikoita kustannustehokkaammalla taustalla. Hän sanoi, että Globalfoundries odottaa olevan varhaisessa vaiheessa 14nm tuotantoa tänä vuonna, ja 14XM-prosessin tuotanto tapahtuu kokonaan vuoden 2014 ensimmäisellä puoliskolla.

Noonen (yllä) puhui muun muassa kumppanuuksista 14XM: ssä, mukaan lukien työskentelystä Synopsysin kanssa suunnittelutyökaluissa, Rambus yhdysliitäntöihin ja ARM sen Artisan-fyysisen IP: n kanssa. Hän sanoi, että kaksoisydin Cortex-A9 osoittaa tehon vähentyneen 62 prosentilla tai suorituskyvyn parantuneen 61 prosentilla 14XM: ssä verrattuna valimon 28SLP-prosessiin.

Vielä kauemmas eteenpäin, Globalfoundries laajentaa Fab 8: ta Maltalla, New Yorkissa, ja toivoo saavansa 10 nm: n (10XM) kokonaistuotannon vuoden 2015 jälkipuoliskolla.

Samsung Electronicsin johtava johtaja KH Kim, joka johtaa Samsungin valimooperaatioita, sanoi, että monet alan ihmiset suhtautuivat skeptisesti Common Platform Alliancen lähestymistapaan "portti ensin" -lähestymistapaan korkean k / metallin porttien valmistukseen, mutta että se oli "Todella onnistunut" auttamalla yritystä pidentämään matkapuhelimien akkua ja suorituskykyä.

Yhtiö on valmis tarjoamaan 14 nm: n FinFET-tekniikkaa, koska alle 20 nm: n tasomainen tekniikka ei pysty tarjoamaan hyväksyttävää suorituskykyä. Kim (yllä) sanoi, että FinFET-tekniikoilla on kolme päähaastetta: prosessivaihteluiden käsitteleminen, kanavanleveysongelmat sekä 3D-mallintaminen ja erottaminen. Mutta Samsungin, Samsungin ja Globalfoundriesin välillä Samsungilla on johtava määrä 3D-tekniikan patentteja ja julkaisuja, joten Common Platform -ryhmä on vastannut näihin haasteisiin.

Erityisesti Kim puhui "ISDA-prosessikehityksestä" variaation ja loisten vastustuskyvyn käsittelemiseksi; luomalla kehityspaketti tekemällä yhteistyötä UC Berkeley, CMG: n ja työkalumyyjien Synopsys, Cadence ja Mentor Graphics kanssa; ja IP-lisensointi ARM: ltä, Synopsysilta ja analogisilta biteiltä, ​​jotta sirujen suunnittelulle on helpompaa luoda 14 nm: n System-on-Chip-malleja.

Työskentelemällä ARM: n ja Cadence: n kanssa hän sanoi, että Samsung on luonut ensimmäiset Cortex-A7-mallit FinFET-laitteilla, ja on valmis tarjoamaan FinFET-malleja asiakkailleen. Tämä vuosi on pääasiassa validoinnin ja suunnittelun vuosi, Kim sanoi, että koko tuotanto tulee ensi vuonna. Hän huomautti myös, että Samsungilla on tällä hetkellä kaksi valimoa, S1 Koreassa ja S2 Austinissa, Texasissa. Se rakentaa Koreassa uuden, 20 nm: n ja 14 nm: n tuotantoon suunnatun mallin, jonka suunnitellaan aloittavan toimintansa vuoden 2014 lopulla tai vuoden 2015 alkupuolella.

Cadigan käsitteli kysymys- ja vastausistunnossa siirtymistä 450 mm: n kiekkoihin sirun valmistamiseksi verrattuna 300 mm: n kiekkoihin, jotka ovat nyt yleisiä. Hän totesi uuden konsortion, joka kehittää 450 mm: n tekniikkaa Albanyssa, New Yorkissa, ja sanoi, että vaikka aikaa on vielä ilmassa, hän odottaa, että teollisuus hyväksyy 450 mm: n "kohti tämän vuosikymmenen loppua". Hän kertoi odottavansa EUV: n tulevan markkinoille ensin 350 mm: llä ja pian sen jälkeen 450 mm: llä.

Noonen päätti tämän istunnon kutsumalla sirunvalmistusta "monimutkaisimmaksi liiketoiminnaksi ihmiskunnan historiassa", ja on selvää, että siihen sisältyy joukko uskomattomia teknologian läpimurtoja.