GlobalFoundries недавно обнародовала первые подробности о своём технологическом процессе следующего поколения — 7 нм, которое начнёт применяться в 2018 году. Первоначально GlobalFoundries продолжит использовать иммерсионную литографию и эксимерный лазер с длиной волны 193 нм (deep ultraviolet, DUV) для производства микросхем по технологии 7 нм, но после может начать применять фотолитографию в глубоком ультрафиолете (extreme ultraviolet, EUV) и лазеры с длиной волны 13,5 нм для критичных слоёв, в случае, если соответствующее оборудование будет готово к коммерческому производству. Принимая во внимание тот факт, что ключевым клиентом GlobalFoundries является Advanced Micro Devices, планы данного контрактного производителя микросхем будут иметь большое значение для рынка персональных компьютеров (ПК). В дополнение к передовой технологии 7 нм GlobalFoundries продолжит совершенствовать свои техпроцессы на основе FD-SOI.

Производственный комплекс GlobalFoundries Fab 8. Фото FinanceFeeds.net

Существенные улучшения по сравнению с 14LPP

GlobalFoundries будет использовать свой технологический процесс 7 нм для производства различных высокопроизводительных микросхем, таких как процессоры, графические процессоры и системы на кристалле (system-on-chip, SoC) для всевозможных областей применения (мобильные устройства, ПК, серверы и т. д. ). Таким образом, целый ряд будущих продуктов AMD будет выпускаться с использованием 7-нм технологий GlobalFoundries (что мы знали из соглашения о поставке подложек, которые компании подписали ранее в этом году). При этом, в отличие от других производителей микроэлектроники, GlobalFoundries пропустит техпроцесс 10 нм, мотивируя это его слабыми преимуществом по сравнению с технологией 14LPP (14 нм, low power plus). Что касается технологии 7 нм DUV, то для неё GlobalFoundries обещает более чем двукратное увеличение плотности транзисторов, более чем 60-% снижение энергопотребления (при одинаковой тактовой частоте и сложности) или же более чем 30-% увеличение производительности (при одинаковом энергопотреблении и сложности). На практике это означает, что в идеальном сценарии GlobalFoundries будет иметь возможность удвоить количество транзисторов в микросхеме без увеличения размера кристалла при одновременном повышении её производительности на ватт. GlobalFoundries планирует продолжить использование текущего оборудования в Fab 8 при производстве микросхем по технологии 7 нм. Тем не менее, следующий техпроцесс потребует новых инвестиций в производственный комплекс, которые составят несколько миллиардов долларов.

Кремниевая пластина. Фото ASML

К настоящему времени GlobalFoundries уже начала изготовление тестовых пластин с различными разработками своих клиентов по технологии 7 нм в производственном комплексе Fab 8 около города Мальта (штат Нью-Йорк). Несмотря на то, что компания не сможет использовать свой опыт в освоении 10-нм техпроцесса для 7-нм технологии, в GlobalFoundries говорят, что компания приобрела большой опыт с FinFET-транзисторами при работе с нормами производства 14LPE и 14LPP. Контрактный производитель полупроводников рассчитывает утвердить спецификацию 7-нм техпроцесса во второй половине 2017 года, что может предполагать старт массового производства соответствующих микросхем во второй половине 2018-го. По понятным причинам GlobalFoundries не может определить точно, когда именно она начнёт использование EUV-фотолитографии, но можно с уверенностью сказать, что EUV будет применяться не ранее 2019 года.

Ожидаемые GlobalFoundries улучшения в области производительности, энергопотребления и плотности размещения транзисторов (power, performance, area, PPA) для 7-нм технологического процесса смотрятся весьма достойно. Однако следует отметить, что GlobalFoundries является второй компанией, которая официально подтвердила намерение использовать DUV-литографию для 7-нм техпроцесса. Samsung надеется использовать EUV-литографию для критичных слоёв в случае с 7 нм, чтобы избежать использования многократного экспонирования (multipatterning), которое значительно увеличивает стоимость проектирования и производства и длительность производственного цикла (впрочем, на официальном сайте компания подтверждает лишь факт «оценки перспектив» использования EUV). В Intel также рассматривают возможность использования EUV для технологического процесса с шириной транзисторного затвора 7 нм. Тем не менее, TSMC не боится использования многократного экспонирования и намерена производить полупроводники с использованием технологии 7 нм при помощи иммерсионной фотолитографии во второй половине 2018 года.

Инспектирование подложки с микросхемами

Как покажут себя 7-нм нормы производства GlobalFoundries и TSMC, будет ясно в ближайшие годы, но следует иметь в виду, что техпроцесс первой «совместим с EUV»: компания сможет начать использование сканеров ASML TWINSCAN NXE для критичных слоёв, как только указанное оборудование будет готово для коммерческого использования (мощность источников излучения составит 250 Ватт, а сами сканеры будут доступны более 80 % времени). Поскольку технология 7 нм с EUV будет использоваться для производства других микросхем, нежели технология 7 нм с DUV, GlobalFoundries не делает секрета, что 7 нм с DUV и 7 нм с EUV являются двумя поколениями одного техпроцесса. Более того, если EUV-сканеры будут готовы к массовому производству уже в 2019 году, то жизненный цикл технологии 7 нм с DUV будет весьма недолгим. К слову, уже сейчас GlobalFoundries использует TWINSCAN NXE и EUV для ускорения производства прототипов определённых интегральных схем для своих клиентов. Иными словами, компания постепенно набирается опыта в использовании EUV.

GlobaFoundries пропустит 10 нм

Анонсировав техпроцесс 7 нм, GlobalFoundries подтвердила слухи о том, что не будет предлагать технологию 10 нм. Судя по всему, тому есть две причины, обе из которых лежат в плоскости PPASC (power, performance, area, schedule, costs). C одной стороны, 10-нм нормы производства не дали бы желаемого технологического эффекта, с другой — график их появления и необходимые инвестиции не обеспечили бы желаемого экономического эффекта.

300-мм подложки, обработанные в производственном комплексе Fab 1 компании GlobalFoundries

Поскольку технологии производства полупроводников становятся всё более комплексными, обеспечивать постоянные улучшения по всем метрикам PPA становится всё более сложно. Как результат, некоторые технологические процессы используются лишь некоторыми разработчиками на протяжении пары лет, а другие — годами и десятками компаний. GlobalFoundries считает, что техпроцесс 10 нм не обеспечит ощутимого роста производительности, снижения энергопотребления и роста плотности транзисторов по сравнению с технологией 14LPP (которая использует межблочные соединения от 20-нм техпроцесса), а потому станет маловостребованной переходной технологией с коротким жизненным циклом (в последние годы таковыми стали 45-, 32- и 20-нм техпроцессы, которые были использованы единицами разработчиков). Если мы посмотрим на озвучиваемые PPA-улучшения для наиболее продвинутых техпроцессов компаний GF, Samsung Foundry и TSMC последних лет, то мы заметим, что новая технология не принесёт по-настоящему существенных улучшений ни в случае TSMC (мы видели нечто подобное в случае с CLN20SOC), ни в случае Samsung (при этом, следует помнить о том, что технология 14LPP была лицензирована именно у последней), что подтверждает опасения GlobalFoundries.

В какой-то мере ожидания GlobalFoundries, что техпроцесс 10 нм может стать переходной технологией с коротким жизненным циклом, оправданы. На сегодняшний день, менее чем за полгода до старта массового производства (конец 2016 — начало 2017), лишь три клиента TSMC завершили проектирование 10-нм микросхем и отправили их цифровые модели производителю. В случае с технологией 16 нм (CLN16FF) десятки компаний завершили проектирование своих чипов задолго до старта массового производства во второй половине 2015 года. Примечательно, что 10-нм техпроцесс TSMC будет использоваться в основном разработчиками мобильных SoC (читай: Apple, Qualcomm, MediaTek), которым требуется увеличивать количество транзисторов и производительность на ватт каждый год. Такие клиенты меньше обеспокоены производственными затратами и агрессивностью усовершенствований, им требуются новые технологии просто чтобы представлять новые SoC каждый год, как того требует рынок. В то же время, по словам руководства TSMC, технология производства 7 нм будет использоваться многими клиентами компании, в том числе для изготовления микросхем для высокопроизводительных вычислений (впрочем, это не значит, что никто с рынка решений для HPC не будет использовать 10-нм технологию). TSMC планирует начать массовое производство 7-нм чипов в первой половине 2018 года, на несколько месяцев раньше GlobalFoundries. Тем не менее, первый технологический процесс TSMC c EUV (5 нм) появится лишь в 2020 году, таким образом, компания может быть немного позади своего соперника, когда дело дойдёт до следующего поколения литографии.

Samsung продемонстрировала первые пластины, обработанные по технологии 10LPE (10 нм, low power early), в мае 2015 года и обозначила планы по использованию 10-нм техпроцесса для производства коммерческих чипов в конце 2016 года. Кроме того, в ближайшее время компания планирует начать производство микросхем с использованием улучшенной технологии 10LPP с увеличенным частотным потенциалом. Таким образом, за несколько месяцев до выпуска нового поколения смартфонов Samsung Galaxy S8 в первой половине 2017 года, у Samsung будет возможность производить для них 10-нм микросхемы (судя по всему, речь идёт о новых Samsung Exynos и Qualcomm Snapdragon). Поскольку Samsung требуются наиболее передовые SoC для своих смартфонов, неудивительно, что компания готовится развернуть 10-нм производство. Даже в случае, если она не получит множество клиентов на данный техпроцесс, она в любом случае будет нуждаться в продвинутой технологии изготовления микросхем, чтобы сохранять конкурентоспособность с Apple (или даже получить эту компанию в качестве клиента). Кроме того, если Samsung решит, что применение EUV необходимо для её технологического процесса с шириной транзисторного затвора 7 нм, то концерну придётся использовать 10LPP (или более совершенные нормы изготовления) до тех пор, пока сканеры ASML TWINSCAN NXE не будут готовы для массового производства. Отчасти поэтому Samsung не делает конкретных анонсов о времени появления 7-нм техпроцессов (всё, что мы знаем, это то, что они появятся в 2019 году, или позже), а также конкретных планов касательно EUV.

В то же время есть ещё одна причина, почему GlobalFoundries решила пропустить технологический процесс 10 нм. Два года назад компания приобрела активы IBM Microelectronics вместе с командой разработчиков. Естественно, что для интеграции сотрудников IBM в структуры GlobalFoundries потребовалось время, а потому, вместо создания 10-нм техпроцесса (который бы всё равно опоздал), компания решила сосредоточиться на технологическом процессе с шириной транзисторного затвора 7 нм. Последний станет первым техпроцессом, совместно разработанным специалистами их GlobalFoundries и IBM.

Плавный переход к EUV

В настоящее время как производители полупроводников, так и производители оборудования для изготовления микросхем согласны, что EUV потребуется при переходе на более тонкие техпроцессы. Вопрос в том, будет ли готова компания ASML поставлять соответствующие сканеры для норм производства 7 нм или 5 нм. Как следствие, каждый должен принимать решение о том, когда именно начинать использование EUV для критичных слоев.

Фотошаблон Zeiss для производства микросхем с использованием EUV

ASML и Cymer последовательно улучшают свои сканеры и характеристики источников EUV-излучения, тогда как производители полупроводников учатся использовать эти инструменты. До сих пор только TSMC обозначила конкретные сроки начала использования EUV: 2020 год для технологического процесса 5 нм. Хотя Samsung и утверждает, что EUV потребуется для 7-нм производства, компания не раскрывает точного времени старта применения соответствующих инструментов. Аналогично поступает и GlobalFoundries, когда указывает на совместимость 7-нм техпроцесса с EUV оборудованием, но не указывает сроков старта применения TWINSCAN NXE. Intel также взвешивает возможности использования EUV для критичных слоёв в 7-нм микросхемах, но не делает формальных официальных заявлений. Что касается SMIC и UMC, то обе компании пока никак не обозначили планы использования фотолитографии в глубоком ультрафиолете. Кроме того, обеим компания еще требуется догнать своих соперников с FinFET-транзисторами.

Разрабатывая технологический процесс с шириной транзисторного затвора в 7 нм, который «совместим с EUV на ключевых уровнях», что по сути означает два поколения техпроцессов, GlobalFoundries ведёт себя весьма мудро.

• Во-первых, у компании будет новый 7-нм техпроцесс, готовый к массовому производству во второй половине 2018 года. Это позже, чем начало 7-нм производства у TSMC, но раньше, чем у Intel (которая не без оснований заявляет, что плотность транзисторов у её 10-нм технологии будет похожа на плотность транзисторов у конкурирующих 7-нм решений, а потому формальное отставание не имеет значения), что будет позитивно для AMD и других клиентов GlobalFoundries (впрочем, надо держать в уме, более длительный цикл производства и увеличенную себестоимость микросхем в случае 7 нм и DUV).
• Во-вторых, как только EUV-оборудование будет готово к массовому производству, у GlobalFoundries будет уже разработанный техпроцесс, совместимый с EUV. При этом большинство слоёв всё равно будут экспонироваться при помощи привычных DUV-сканеров, а значит зрелость «DUV-составляющей» весьма важна.
• В-третьих, даже если оборудование ASML не будет готово ко второй половине 2019 года (о чём её клиенты узнают задолго до этого срока), GlobalFoundries будет иметь конкурентоспособную технологию производства и время, чтобы разработать новую, с (или без) EUV.

Разумеется, при определенном стечении обстоятельствах GlobalFoundries придётся конкурировать с 5-нм технологией TSMC при помощи 7-нм норм производства в 2020 году. Однако компания сделает всё, чтобы этого избежать.

GlobalFoundries предложит как EUV, так и FD-SOI

GlobalFoundries не кладёт все яйца в одну корзину. Хотя компании Samsung и TSMC разрабатывают версии своих техпроцессов с FinFET-транзисторами с уменьшенной стоимостью производства и сниженным энергопотреблением в попытке привлечь создателей микросхем с небольшими бюджетами, GF планирует продолжать разработку новых технологий с планарными транзисторами с применением подложек FD-SOI (fully depleted silicon-on-insulator, полностью обеднённый кремний-на-изоляторе). Таким образом, для недорогих микросхем с низким энергопотреблением, беспроводными и аналоговыми интерфейсами, компания будет продолжать предлагать техпроцесс 22FDX (28 нм BEOL, 14 нм FEOL разработанные STMicroelectronics), а затем более совершенный 12FDX.

Дифферинцированный подход GlobalFoundries: FinFET, EUV и FD-SOI

Поскольку проектирование микросхем на основе планарных транзисторов в разы дешевле проектирования чипов с трёхмерными FinFET-транзисторами, технологии на базе FD-SOI отлично подходят для небольших разработчиков чипов для целого ряда приложений (беспроводные устройства, IoT, 5G и т. д. ). GlobalFoundries позиционирует 22FDX как альтернативу 14/16 нм FinFET-техпроцессам, тогда как 12FDX будет конкурировать против 10-нм, а, возможно, и против суб-10 нм технологий в 2019 году и далее. Samsung, другой производитель микросхем с использованием FD-SOI, обозначил планы добавить поддержку eNVM (embedded non-volatile memory) в техпроцесс 28FDS в 2018 году, но не раскрыл, планирует ли совершенствовать свои FD-SOI предложения в дальнейшем.

Будут ли технологии GlobalFoundries на базе FD-SOI пользоваться спросом — покажет время. Тем не менее, GlobalFoundries и Samsung являются единственными контрактными производителями микросхем, кто планирует предлагать как передовые техпроцессы с FinFET-транзисторами, так и экономичные технологии производства с планарными вентилями и FD-SOI в 2020 году и далее. Кроме того, пока лишь GlobalFoundries обозначила планы по суб-20 нм нормам производства с применением FD-SOI.

Источники:

• AnandTech
• GlobalFoundries