Gemeenschappelijk platformtechnologieforum: chips maken op 14nm en lager

Gisteren woonde ik het Common Platform Technology Forum bij, waar IBM, Globalfoundries en Samsung de technologie presenteerden die ze zullen gebruiken om in de toekomst chips te produceren. Deze groep, oorspronkelijk opgericht door IBM om zijn chiptechnologieën te distribueren, neemt in wezen een basisproces dat is gecreëerd door IBM en zijn partners en verplaatst het vervolgens naar Globalfoundries en Samsung voor grootschalige productie.

Dit zijn de hoogtepunten:

De ontwikkeling van 14nm FinFET-procestechnologie (het creëren van 3D-achtige transistors) lijkt op schema te liggen, waarschijnlijk met de gieterijen die in 2014 met de productie beginnen en producten op basis van die productie waarschijnlijk tegen 2015. (Intel verzendt al FinFET's, die het noemt "Tri-Gate" transistors, op 22nm, maar Intel is anders omdat het in de eerste plaats zijn eigen klant is, met een enkel basisontwerp, en gieterijen moeten een veel breder scala aan klanten ondersteunen.) Merk op dat de Common Platform-versie van dit proces, zoals eerder besproken door Globalfoundries, combineert FinFET-technologie op de "front-end" met dezelfde "back-end" als het 20 nm-proces.

Hoewel iedereen het erover eens is dat EUV (extreme ultraviolet) lithografie ergens in de toekomst nodig zal zijn, duurt het langer om zich te ontwikkelen en wordt het geconfronteerd met meer problemen dan verwacht. Nu zal het waarschijnlijk niet worden gebruikt tot 7 nm productie of zelfs later.

Waar de Common Platform-groep ooit sprak over het identiek maken van zijn processen aan elk van zijn fabrikanten, zodat klanten gemakkelijk van de ene naar de andere konden migreren, lijkt de focus nu te liggen op het creëren van een kernprocestechnologie en vervolgens de individuele gieterijen te laten (Globalfoundries en Samsung) pas ze aan voor hun specifieke klanten.

De migratie naar 20 nm en 14 nm productie zal niet zo veel kostenreductie per transistor veroorzaken, zoals fabrikanten van nieuwe procesknooppunten verwachten. (Doorgaans krijgt u twee keer zoveel transistors per knooppunt - de wet van Moore - maar tegen een iets hogere prijs.) Maar 20 nm voegt meer kosten toe omdat het voor het eerst "dubbel-patroon" van lithografie vereist, en de 14 nm knoop de Common Platformpartners praten over is niet echt een volledige inkrimping, omdat het de 20nm "back-end" gebruikt. Maar leidinggevenden zeiden dat ze verwachten terug te zijn op de normale economie in de overgang naar 10 nm.

Hier zijn enkele details:

Mike Cadigan, vice-president van IBM Microelectronics, vertelde hoe het Common Platform de afgelopen 10 jaar is geëvolueerd. Het is gegaan van een groep die is ontworpen om een ​​alternatief te creëren voor gieterijleider TSMC tot een groep die nu de nummer twee en drie gieterijen (Globalfoundries en Samsung Semiconductor) bevat, gebaseerd op technologie die afkomstig is van IBM Research en de andere bedrijven. In het bijzonder wees hij op een nieuwe onderzoeks- en ontwikkelingsfaciliteit voor halfgeleiders in Albany, NY, gebouwd in samenwerking met de staat en partners, waar IBM nu samenwerkt met zijn top vijf leveranciers van apparatuur aan projecten zoals de ontwikkeling van EUV.

Cadigan (hierboven) verwees naar de moeilijkheid om over te stappen naar de volgende generatie technologie. "We zitten allemaal op een loopband, " zei hij, maar suggereerde dat het Common Platform-model zijn leden de mogelijkheid biedt om het werk van de leden en hun partners te benutten.

"Onze industrie is van vitaal belang voor de samenleving, " zei hij en merkte op hoe silicium alles bestuurt, van smartphones tot zelfrijdende auto's tot nieuwe gezondheidszorg.

Later zei hij in een vraag-en-antwoordsessie dat de manier waarop de Common Platform-groep in de loop van de jaren werkt aanzienlijk is veranderd. Het vorige proces omvatte IBM bij het maken van de basistechnologie en deze in de East Fishkill-fabriek te laten werken, en vervolgens het hele proces door te geven aan zijn partners. Nu zei hij, zodra IBM de basistechnologie aan het werk heeft, gaat deze rechtstreeks naar Globalfoundries en Samsung, waardoor de time-to-market wordt versneld.

IBM zegt chip-making geconfronteerd met grote discontinuïteiten

Gary Patton, vice-president van IBM Semiconductor Research and Development Centre, gaf een diepe duik in de technologie en besprak de uitdagingen voor chipfabrikanten in de komende jaren.

"We hebben een discontinuïteit, " zei Patton (hierboven), terwijl het maken van chips een grote verandering onderging. Hij zei dat dit niet de eerste keer is dat de industrie dergelijke problemen heeft gezien, noch zal het de laatste zijn. De industrie bereikte de fysieke grenzen van vlakke CMOS en gate-oxide, dus moest het overstappen op gespannen silicium en high-k / metal gate-materialen. Nu, zei hij, zijn we op de grens van vlakke apparaten, dus moeten we overstappen naar het '3D-tijdperk', zowel in termen van transistors zelf (dwz FinFET's) als in verpakking met behulp van concepten zoals chipstapelen. In het volgende decennium, zei hij, zullen we de limiet van atomaire dimensies bereiken en moeten we overstappen op technologieën zoals silicium nanodraden, koolstof nanobuisjes en fotonica.

Om dit alles te laten werken, is het belangrijk dat gieterijen niet langer alleen als productiebedrijven fungeren, maar met hun klanten en de gereedschapsleveranciers samenwerken in een "co-optimalisatie" van ontwerp / technologie, waarbij het proces meer als een "virtuele IDM werkt "(Fabrikant van geïntegreerde apparaten).

Patton raakte de behoefte aan verder onderzoek en sprak over de onderzoeksfaciliteiten van IBM in Yorktown, Almaden en Zürich en hoe IBM voor het twintigste jaar op rij de meeste patenten heeft gekregen. Hij sprak ook over het belang van partners, in het bijzonder verwijzend naar de Albany Nanotech Research Facility, die werd gebouwd in samenwerking met New York State en Suny / Albany CNSE, samen met Sematech en een groot aantal leveranciers van materialen en apparatuur.

Veel van zijn gesprekken gingen over de uitdagingen voor EUV, die hij 'de grootste verandering in de geschiedenis van de lithografie-industrie' noemde. Hij merkte op dat als EUV klaar is om op 7 nm te gaan, het scherpere beelden zal produceren, en dus beter presterende chips dan andere technologieën. Maar er zijn grote uitdagingen. Om te beginnen heeft EUV-apparatuur nu slechts een 30-watt stroombron en moet het tot 250 watt komen voor kosteneffectieve productie. Dat zou een bijna tienvoudige verbetering vereisen. Een ander probleem is het omgaan met defecten op het EUV-masker.

Zoals hij het proces beschreef, lijkt het bijna science fiction: je begint met gesmolten tin met 150 mijl per uur te spuiten, het in een pre-puls met een laser te raken om het te verdelen, schiet met een andere laser om een ​​plasma te maken, en dan stuiter het licht van spiegels om de eigenlijke lichtstraal te creëren en zorg ervoor dat het de wafer op het juiste punt raakt. Hij vergeleek dit met het proberen om een ​​honkbal te raken in een zone van 2, 5 cm op exact dezelfde plek op de tribunes 10 miljard keer per dag.

IBM werkt samen met lithografiemaker ASML en lichtbronmaker Cymer (die ASML bezig is te verwerven) om de EUV naar de markt te brengen. De onderzoeksfaciliteit in Albany is ontworpen als een "centre of excellence" en IBM hoopt nu daar tegen april tools te krijgen. Patton zei dat dit niet klaar zal zijn voor 14 nm of 10 nm productie, maar mogelijk voor 7 nm of later.

In de tussentijd doet IBM veel werk aan het verbeteren van de opbrengsten met behulp van meerdere patronen, waarbij meerdere maskers worden gebruikt. Bij 20 nm omvat dit dubbele patronen, waarbij meerdere maskers worden gebruikt om de patronen te maken. Maar om dit efficiënt te maken is veel werk nodig, dus IBM heeft gewerkt met de leveranciers van toolontwerp (EDA) zodat chipontwerpers een standaard celontwerpstroom kunnen volgen of een aangepaste stroom kunnen creëren, maar nog steeds efficiënter zijn.

Op 10 nm sprak hij over het gebruik van andere technieken, zoals sidewall image transfer (SIT) en gerichte zelfassemblage, waarbij chemie de lay-out van de transistor helpt. Het idee hier is dat je in plaats van viervoudig patroonvorming nog steeds dubbel patroonvorming kunt doen, wat veel goedkoper zou moeten zijn.

Patton bracht ook veel tijd door met praten over hoe nieuwe apparaatstructuren nodig zijn. Bestaande FinFET's worstelen met prestatie- en variabiliteitsproblemen, maar IBM werkt aan het creëren van smallere banden om deze problemen te verbeteren.

Op 7 nm en daarna, zei hij, zijn nieuwe apparaatstructuren nodig, zoals silicium nanodraden en koolstof nanobuisjes. Koolstofnanobuisjes hebben het potentieel om een ​​tienvoudige verbetering van kracht of prestaties aan te bieden, maar het heeft zijn eigen uitdagingen, zoals de noodzaak om metaal van halfgeleider koolstofnanobuisjes te scheiden en op de juiste plaats op de chip te plaatsen. IBM heeft onlangs aangekondigd dat het nu meer dan 10.000 werkende koolstofnanobuizen op een chip heeft.

Een ander aandachtspunt is het verbeteren van de verbindingen, en Patton zei dat de industrie tussen 4 nm en 8 nm zal overstappen op nanofotonica. Hij besprak de recente demonstratie van IBM van een chip die fotonica combineert met silicium.

Uiteindelijk is het doel om 3D en fotonica op één chip te integreren. Patton besloot door te praten over een chip die hij graag met drie vlakken zou willen zien: één met logica met ongeveer 300 kernen; een andere met geheugen (met 30 GB ingebed DRAM); en een ander fotonisch vlak, dat een optisch netwerk op de chip levert.

Globalfoundries en Samsung beloven volledige productie van 14 nm-wafels in 2014

Vertegenwoordigers van zowel Globalfoundries als Samsung spraken over hoe zij de uitdagingen van de overgang naar 14nm en FinFET's aangingen.

Mike Noonen, vice-president marketing, verkoop, kwaliteit en design voor Globalfoundries, vertelde hoe het bedrijf dit jaar een 20nm-proces met laag vermogen introduceert. Het heeft zijn 14XM-proces al aangekondigd, dat 14nm FinFET's gebruikt met een meer kosteneffectieve back-end. Hij zei dat Globalfoundries dit jaar een vroege 14nm-productie verwacht, met volledige productie van het 14XM-proces in de eerste helft van 2014.

Noonen (hierboven) sprak onder andere over samenwerkingsverbanden bij 14XM, waaronder het werken met Synopsys aan ontwerptools, Rambus voor interconnects en ARM met zijn ambachtelijke fysieke IP. Hij zei dat een dual-core Cortex-A9 62 procent stroomreductie of 61 procent prestatieverbetering op 14XM vertoont vergeleken met het 28SLP-proces van de gieterij.

Globalfoundries breidt zijn Fab 8 in Malta, NY nog verder uit en hoopt in de tweede helft van 2015 een volledige productie van 10 nm (10XM) te hebben.

KH Kim, uitvoerend vice-president van Samsung Electronics, die leiding geeft aan de gieterijactiviteiten van Samsung, zei dat veel mensen in de industrie sceptisch stonden tegenover de "gate-first" -aanpak van de Common Platform Alliance voor de productie van high-k / metal gate, maar dat het "echt succesvol" in het helpen van het bedrijf om de levensduur en prestaties van batterijen voor mobiele processors te verlengen.

Het bedrijf is klaar om 14nm FinFET-technologie aan te bieden, omdat planaire technologieën van minder dan 20 nm geen acceptabele prestaties kunnen leveren. Kim (hierboven) zei dat er drie belangrijke uitdagingen zijn met FinFET-technologieën: omgaan met procesvariaties, problemen met kanaalbreedte en 3D-modellering en extractie. Maar tussen IBM, Samsung en Globalfoundries heeft Samsung het grootste aantal patenten en publicaties op het gebied van 3D-technologie en dus heeft de Common Platform-groep deze uitdagingen aangepakt.

Kim sprak met name over een "ISDA-procesontwikkeling" om variatie en parasitaire weerstand aan te pakken; het maken van een ontwikkelkit door te werken met UC Berkeley, CMG en hulpprogramma's Synopsys, Cadence en Mentor Graphics; en licentiëring van IP van ARM, Synopsys en Analog Bits om het voor chipontwerpen gemakkelijker te maken 14nm System-on-Chip-ontwerpen te maken.

Werkend met ARM en Cadans, zei hij dat Samsung de eerste Cortex-A7-ontwerpen met FinFET's heeft gemaakt en klaar is om FinFET's aan zijn klanten aan te bieden. Dit jaar is vooral een jaar voor validatie en ontwerp, zei Kim, met de volledige productie volgend jaar. Hij merkte ook op dat Samsung momenteel twee gieterijen heeft, S1 in Korea en S2 in Austin, Texas. Het bouwt een nieuw fab in Korea gericht op 20nm en 14nm productie, die gepland is om eind 2014 of begin 2015 in bedrijf te gaan.

In een vraag-en-antwoordsessie besprak Cadigan de problemen van het verplaatsen naar wafels van 450 mm voor het produceren van chips, in vergelijking met de wafels van 300 mm die nu gebruikelijk zijn. Hij merkte een nieuw consortium op dat 450 mm-technologie ontwikkelt in Albany, NY, en zei dat hoewel de tijd nog in de lucht is, hij verwacht dat de goedkeuring van de industrie van 450 mm zal zijn "tegen het laatste deel van dit decennium." Hij zei dat hij zou verwachten dat EUV eerst op de markt komt in 350 mm en kort daarna op 450 mm.

Noonen sloot die sessie af door het maken van chips 'de meest complexe onderneming in de geschiedenis van de mensheid' te noemen, en het is duidelijk dat het een reeks verbazingwekkende technologische doorbraken met zich meebrengt.