Mooreův zákon v přechodu

Pokud bychom někdy potřebovali potvrzení, že přechod na další krok v Mooreově zákonu se znesnadnil, oznámení společnosti Intel minulý týden, že jeho 10nm čipy budou odloženy, dokud se druhá polovina roku 2017 neprokáže. Nedávná oznámení ze strany jiných společností na konferenci Semicon West minulého týdne však naznačují, že zprávy o smrti podle zákona byly velmi přehnané.

CEO společnosti Intel Brian Krzanich oznámil 10nm zpoždění během výplaty výdělků ve druhém čtvrtletí společnosti. Čipy byly dříve očekávány na konci příštího roku nebo začátkem roku 2017. Mezitím byla kvalifikována druhá linka společnosti 14nm - základní procesor šesté generace známý jako Skylake - a měla by začít dodávat tento čtvrtletí (po zavedení prvního 14nm produkty, známé jako Broadwell, v jediné verzi na konci loňského roku a obecněji na začátku tohoto roku). Podle Krzanicha bude existovat další 14nm čipová rodina známá jako Kaby Lake, postavená pomocí architektury Skylake s některými vylepšeními výkonu, která by měla vyjít ve druhé polovině roku 2016, zatímco první 10nm produkt, známý jako Cannonlake, je nyní připraven dorazit do druhá polovina roku 2017.

Připomeňme si, že přechod z 22nm na 14nm byl podobně zpožděn, přičemž Krzanich citoval obtížnost litografie a počet kroků vícenásobného modelování nezbytných při přechodu do každého nového uzlu jako příčinu zpoždění. Poznamenal, že Intel předpokládá, že 10nm čipy nebudou vyráběny pomocí technologie extrémní ultrafialové litografie (EUV), což z něj činí nejdelší dobu výroby čipů bez přechodu na pokročilejší formu litografie.

Celkově řekl, že Intel nyní předpokládá, že to bude trvat 2, 5 roku mezi procesními uzly (všimněte si, že Intel dodal prvních 22nm čipů „Ivy Bridge“ začátkem roku 2012).

Krzanich pokračoval říkat, že jak Intel přechází z 10nm na 7nm, budou se „vždy snažit vrátit zpět na dva roky“ mezi uzly. Řekl také, že Intel bude při rozhodování o načasování sledovat vyspělost EUV, změny ve vědě o materiálech a složitost produktu.

TSMC opakuje 10nm na začátku roku 2017

Pokud se vše, co naznačuje, že Mooreův zákon zpomaluje, zprávy ze sléváren polovodičů, které vyrábějí čipy pro báječné polovodičové společnosti jako Qualcomm, MediaTek a Nvidia, naznačují, že se věci zrychlují. Nebo alespoň to, že mezeru těsně uzavírají s Intelem.

Tchaj-wan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC), největší slévárna na světě, uvedla, že v prvním čtvrtletí roku 2017 je na cestě dodávat 10nm. TSMC uvedla, že ve druhém čtvrtletí zahájila objemovou výrobu svých prvních 16nm procesorů FinFET, přičemž dodávky začaly Měsíc. (To znamená zásilky zákazníkům TSMC, nikoli koncovým uživatelům; zatím jsme neviděli takový čip dodávaný v konečném produktu, přestože to očekáváme v příštích několika měsících.)

Generální ředitel TSMC Mark Liu uvedl, že jeho 10nm proces je na trati se skutečnou dodávkou produktu na začátku roku 2017. Řekl, že 10nm díly budou o 15% rychlejší při stejném celkovém výkonu, nebo spotřebují o 35% méně energie při stejné rychlosti, s více než zdvojnásobit hustotu brány procesu 16nm.

Pokud se to vše podaří, produkty vyrobené na 10nm procesu TSMC by mohly přijít na trh o čtvrtinu dříve, než produkty vyrobené na 10nm procesu Intel, což by byl v oboru velkým obratem. Upozorňujeme však, že TSMC v minulosti oznámila zpoždění: před více než rokem uvedla, že očekává, že na konci roku 2015 bude zahájena výroba rizik 10nm, a uvedla agresivnější cíle v oblasti rychlosti a síly.

Mezitím další velká špičková slévárna čipů, Samsung, uvedla, že do konce roku 2016 zahájí hromadnou výrobu 10nm čipů. Samsung dodal svůj první 14nm produkt FinFET, Exynos 7 Octa počátkem tohoto roku, do svých telefonů Galaxy S6. To bylo jen nepatrně po prvních 14nm objemových zásilkách společnosti Intel (i když dva procesy jsou trochu odlišné), což byla velká změna oproti době, kdy měl Intel dlouhou dobu v procesní technologii.

Společnost Samsung rovněž licencovala svou 14nm technologii na GlobalFoundries, která uvedla, že bude koncem letošního roku na objemové rampě 14nm technologie. Mezi zákazníky GlobalFoundries patří AMD, která prohlašuje, že plánuje zavést 14nm technologii FinFET v různých produktech v průběhu roku 2016, a nedávno získala společnost IBM v oblasti výroby čipů.

GlobalFoundries nabízí 22nm FD-SOI

GlobalFoundries také plánuje nabídnout jiné řešení zvané 22nm FD-SOI (plně vyčerpaný křemík na izolátoru), oznámené minulý týden. Tento proces používá konvenční planární tranzistory, spíše než 3D FinFET, ale zde jsou vyráběny na jiném druhu oplatky známé jako SOI. GlobalFoundries tvrdí, že s tímto přístupem může produkovat čipy, které poskytují lepší výkon a nižší výkon než běžně používaný 28nm planární proces za srovnatelnou cenu (a mnohem nižší náklady než 14nm FinFET, které vyžadují mnohem více průchodů pomocí 193nm ponorné litografie). GlobalFoundries říká, že výsledkem procesu je o 20% menší velikost zápustky ve srovnání s 28nm.

Zatímco společnost fab říká, že FinFET poskytuje vyšší výkon a je v některých aplikacích potřebný, věří, že nový proces je vhodný také pro běžné mobilní trhy, internet věcí, RF a síťové trhy. Ve srovnání s 14nm produkty FinFET, GlobalFoundries říká, že tento proces vyžaduje téměř o 50% méně vrstev ponorné litografie, což sníží náklady.

Samsung také plánuje nabídku FD-SOI, i když na 28nm.

Dále downstream, IBM a její partneři nedávno oznámili, že v laboratoři vytvořili 7nm testovací čipy, i když samozřejmě existuje dlouhá cesta mezi laboratoří a hromadnou výrobou.

Semicon West ukazuje nové nástroje

Budoucnost výroby čipů byla také tématem minulé týdenní konference Semicon West, kde výrobci polovodičových výrobních zařízení diskutovali o pokroku, kterého dosáhli v oblasti nových technologií.

Zdá se, že existuje obecná shoda ohledně logické mapy, i když načasování není jasné. Dalším krokem bude pravděpodobně přechod k alternativním materiálům, zejména novým materiálům kanálů (jako jsou ty, které používá IBM ve svém 7nm testovacím čipu), jako je germanium křemíku (SiGE) a arsenid india a gallia (InGaAs). Předpokládá se, že takové materiály rozšíří používání návrhů FinFET pro další pár generací, a pak by se průmysl mohl úplně přesunout na novou tranzistorovou strukturu, snad na tranzistory typu gate-all-around někdy nazývané nanowire, někde kolem uzlu 5nm.

V litografii ASML uvedl, že jeho cílem pro zařízení EUV je 1 000 oplatek za den při 50% dostupnosti, a také to, že je stále v cíli připravit EUV na produkci 7nm, i když bude použit pouze pro možná pět až 10 kritických vrstev a 193nm litografie bude stále dělat velkou část práce. Společnost ASML poté, co oznámila, že nejmenovaný americký zákazník - který téměř všichni pozorovatelé považují za společnost Intel - souhlasil s nákupem 15 litografických nástrojů EUV, potvrdil, že společnost Intel skutečně zakoupila šest systémů, přičemž dva budou dodány letos.

Zatímco většina diskuse o Mooreově zákonu se týkala logických čipů, je třeba poznamenat, že paměťové čipy jsou také v přechodu. Zmenšení DRAM se dramaticky zpomalilo. Většina tvůrců je nyní v přechodu na DRAM s 20nm, přičemž možná zbývá ještě jedna nebo dvě další generace. Jakékoli další pokroky v hustotě nebo nákladech pak budou muset vycházet z dodatečných výrobních kapacit, větších rozměrů oplatek (450 mm), stohování 3D čipů (hybridní kostky paměti) nebo případně nového typu paměti jako je MRAM.

U flash paměti NAND je situace trochu jiná. Flash paměť NAND je již pod 20nm a stejně jako DRAM běží mimo prostor, aby se mohla ještě dále škálovat, ale v tomto případě existuje jasná alternativa. Horkým tématem je 3D NAND, který používá více vrstev paměťových buněk vyrobených z velmi tenkých, jednotných filmů. Velikost prvků jednotlivých buněk již nemusí být tak malá (uvolní se zpět na přibližně 40-50nm), ale hustota se stále rozšiřuje - potenciálně na 1 terabit na čipu - přidáním dalších vrstev. Litografie je mnohem jednodušší, ale pro uložení a leptání těchto paměťových polí vyžaduje pokročilejší nástroje na úrovni atomů.

Samsung je již ve velkoobjemové výrobě a jeho druhá generace 3D NAND s 32 vrstvami dokáže na jeden čip zabalit až 128 GB (16 GB). Tento týden společnost Samsung oznámila novou generaci podnikových SSD disků 6 Gb / s, které mohou pomocí těchto čipů 128 GB ukládat až 3, 86 TB dat ve formátu 2, 5 palce. Očekává se, že koncese Micron / Intel a SK Hynix zahájí sériovou výrobu 3D NAND koncem tohoto roku. Micron a Intel tvrdí, že jejich technologie vzduchových mezer jim umožní vyrábět hustší čipy, počínaje 256Gb a 384Gb, zatímco SK Hynix plánuje použít 36 vrstev, následovaných 48 vrstvami v příštím roce, aby se hustota změnila. Toshiba a SanDisk budou následovat někdy příští rok. Ve společnosti Semicon West společnosti zabývající se zařízeními uvedly, že přechod na 3D NAND probíhá rychleji, než se očekávalo, a podle některých odhadů se do konce letošního roku přesune 15 procent světové kapacity podle bitů.