Jeg blev inviteret til at holde en plenartale på SISPAD-konferencen i september 2021. For alle, der ikke kender SISPAD, er det en premiere TCAD-konference. I år ønskede SISPAD for første gang at tage fat på omkostninger, og mit foredrag var "Cost Simulations to Enable PPAC Aware Technology Development".
I mange år har standarden inden for teknologiudvikling været Power, Performance and Area (PPA), for eksempel: på TSMC 2020-Q4 indtjeningsopkald vil N3 have 30 % lavere effekt ved samme ydeevne (Power), 15 % større ydeevne ved samme effekt (Ydeevne) og 70 % større tæthed (Area).
På det seneste driver stigende wafer-omkostninger behovet for at tilføje omkostninger som PPAC, Power, Performance, Area og Koste. Virksomheder som TSMC ved IEDM 2019 [1], Imec på deres teknologiforum i 2020 [2] og Applied Materials på SEMICON West i 2020 [3], og mange andre tager alle om PPAC.
Den nuværende praksis ved udvikling af en ny teknologi er at definere initiale PPA-mål, identificere design til PPA-evaluering, vælge en transistorarkitektur, udvikle et indledende procesflow, simulere transistorydelse og udtrække en SPICE-model, vælge en standardcellearkitektur og generere et cellebibliotek. Cellebiblioteket og procesflowet føres derefter ind i en Design Technology Co Optimization-simuleringssuite, som den tilbydes af Synopsys for at simulere processen, generere en 3D-struktur og udtrække den parasitære netliste. Biblioteket kan herefter karakteriseres, et fysisk design kan laves og PPA kan evalueres. PPA'en evalueres derefter, og de designede eksperimentiterationer kan udføres for at nå PPA-målene alt sammen i et simuleringsmiljø. Det, der mangler i denne proces, er enhver omkostningsbevidsthed. Hvis evnen til at simulere omkostninger føjes til en DTCO-pakke, kan processen målrettes mod PPAC, og iterationer kan udføres i et simuleringsmiljø for at nå PPAC-målene.
For nøjagtigt at simulere omkostninger skal både faciliteten, der kører processen og processen, tages i betragtning. Den samme proces i to forskellige anlæg vil have forskellige omkostninger, nogle gange væsentligt forskellige. To forskellige processer, der kører i samme facilitet, vil have forskellige omkostninger, nogle gange væsentligt forskellige.
Anlægsomkostninger
Den designede kapacitet af en fabrik har en betydelig indflydelse på omkostningerne. Der er en bred vifte af gennemløb for fab-udstyr, og jo højere fab-designkapacitet, jo bedre kapacitetsmatchning af udstyrssættet kan opnås. Dette resulterer i højere kapitaleffektivitet og derfor lavere pris pr. wafer for fabrikater med højere kapacitet. Figur 1. Illustrerer de normaliserede wafer-omkostninger versus kapacitet for en greenfield-fabrik, der kører en 5nm-proces i Taiwan.
Figur 1. Wafer-omkostninger kontra fab-kapacitet.
Landet en fab er i påvirker også omkostningerne. Figur 2 sammenligner den samme fab beskrevet ovenfor designet til 40,000 wafers om måneden i seks forskellige lande. Omkostningerne i figur 2 er kun driftsomkostninger og inkluderer ikke nogen incitamenter.
Figur 2. Vaffelomkostninger kontra land.
En anden kritisk omkostningsfaktor er fabrikkens alder. For en ny fab kan afskrivning repræsentere over 60% af omkostningerne ved at lave en wafer. Figur 3 illustrerer den samme fab tidligere beskrevet for fem forskellige tidsrammer:
- det første år stiger (forudsat 50 % udnyttelse i gennemsnit).
- År to til fem, når fab er skruet op, men udstyret er stadig faldende.
- År seks når udstyret er afskrevet.
- År elleve, når anlægssystemerne afskrives.
- År seksten når bygningsskallen er afskrevet.
Figur 3. Wafer-omkostninger kontra fab-alder.
Nøjagtig omkostningsmodellering kræver evnen til at definere den fantastiske kapacitet, land og alder.
Procesomkostninger
Procesomkostningerne begynder med startprisen for waferen eller wafers. Modellering skal tage højde for, om startwaferen er en poleret wafer, Epi wafer eller specialwafer såsom en slags SOI. Også modellering skal tillade mere end én wafer, for eksempel for processer, hvor to wafers kan bruges og derefter bindes sammen.
Direkte lønomkostninger er omkostningerne for operatører til at behandle waflerne. I den nuværende generation af 300 mm fabrikater er der nogle få operatører, fordi wafer-transportsystemerne sænker front-opening unified pods (FOUP'er) direkte på værktøjet, men der er nogle operatører. De arbejdstimer, der kræves for et bestemt flow, beregnes mest, og den passende arbejdssats anvendes afhængigt af det land, hvor fabrikken er placeret.
Afskrivning er den største enkeltomkostning ved fremstilling af wafer, for nye processer, der repræsenterer over 60 % af wafer-omkostningerne (se figur 6 nedenfor). Nøjagtige afskrivningsestimater kræver bestemmelse af det nødvendige udstyr og gennemløb for hvert trin i procesflowet. En nøjagtig model skal bestemme den passende generation af udstyr til en proces, gennemløbet, udstyrsomkostningerne og den fysiske plads, der er nødvendig for udstyret og opbygge et komplet sæt til en målkapacitet. En nøjagtig model bør have baggrundstabeller over udstyrsomkostninger og konfiguration efter node og konstruktionsomkostninger for renrumsrum for at muliggøre detaljerede kapitalomkostningsberegninger.
Udstyrsvedligeholdelsesomkostninger omfatter omkostningerne til udstyrsdele, der forbruges under forarbejdningen, såsom kvartsringe, der bruges i ætsekamre, reparationsdele til udskiftning af udstyrsundersystemer, der går i stykker under driften af udstyret, og endelig udstyrsservicekontrakter. Alle disse omkostninger skal estimeres for det udstyrssæt, der er bestemt under afskrivningsberegningerne.
Indirekte lønomkostninger omfatter ingeniører og teknikere, der vedligeholder processen og udstyret, supervisorer, der administrerer den direkte arbejdskraft og ledere, der fører tilsyn med alt. Medarbejderstaben skal estimeres, og lønninger efter land og år skal anvendes.
Facilitetsomkostninger inkluderer elektricitet, vand og kloak, ultrarent vandproduktion, naturgas, vedligeholdelse af faciliteter, belægningsomkostninger og forsikring. Mange af disse omkostninger afhænger af land såvel som år. En nøjagtig model skal have baggrundstabeller efter land og år og algoritmer for at udføre beregningerne.
Forbrugsvarer består af hundredvis af forskellige materialer, der forbruges af processen (disse er adskilt fra de udstyrsdele, der forbruges under forarbejdningen, der tages højde for i udstyrsvedligeholdelse). Procesmaterialer omfatter ting som bulkgasser, CVD- og ALD-prækursorer, CMP-forbrugsmaterialer, PVD-mål, fotoresist og sigtekor og mange andre genstande. En nøjagtig model skal have omkostninger efter år for tusindvis af målmaterialer efter år og beregne materialeforbrug efter procestrin.
Kommerciel implementering
IC Knowledge er verdens førende og omkostnings- og prismodellering for halvledere og har for nylig udviklet processimuleringsteknologi for at muliggøre trin for trin procesdefinition og omkostningsestimat (Cost Explorer). Synopsys er verdensledende inden for TCAD-værktøjer til teknologiudvikling og simulering. IC Knowledge og Synopsys er gået sammen om at indlejre IC Knowledge's Cost Explorer i Synopsys Process Explorer-værktøj, der bruges til at simulere den fysiske struktur produceret af målprocesflow. Cost Explorer plug-in til Process Explorer vil gøre det muligt for brugere af Synopsys DTCO suite at definere PPAC-mål og designprocesser for at opfylde disse mål i et virtuelt miljø ved at bruge designet eksperimenter til at optimere for alle fire elementer i PPAC samtidigt.
Figur 4 illustrerer IC Knowledge – Synopsys-løsningen.
Figur 4. Kommerciel PPAC TCAD-løsning.
Den aktuelle tidslinje for denne løsning:
- Nuværende status – betatest hos én kunde med kundeudviklet script til automatisk at udfylde Cost Explorer fra Process Explorer. Begynder at vise evnen til at vælge kunder.
- Slutningen af 2021 – ekstern omkostningsmodel med script (Synopsys script) til at udfylde Cost Explorer fra Process Explorer.
- Midt i 2022 – fuldt implementeret Process Explorer plug-in og kommerciel tilgængelighed.
Kundeeksempler
Som nævnt i det foregående afsnit har vi kundebetateste løsningen. Kunden er en stor OEM, der anvender Synopsys' DTCO-løsning til teknologiudvikling. Kunden udvikler komplementære FET-processer (CFET) som en næste generations løsning ud over FinFET'er og horisontale nanoark (HNS).
Figur 5 illustrerer waferomkostningerne opdelt efter kategori for et muligt procesflow. I den aktuelle model er resultaterne alle i dollars og repræsenterer en specifik fab- og proceskonfiguration.
Figur 5. Wafer-omkostninger efter kategori.
OEM ønskede at evaluere, hvordan CFET koster sammenlignet med FinFET'er. De sammenlignede en standard FinFET, en FinFET med en Buried Power Rail (BPR) (BPR muliggør bedre tæthed), en monolitisk CFET med BPR og en sekventiel CFET, hvor CFET-processen opdeles mellem to wafere, som derefter bindes sammen igen, i den faktiske model er resultaterne alle i dollars.
Figur 6. Normaliserede wafer-omkostninger versus proces.
Nøglekonklusionen fra figur 6 er, at den OEM-udviklede CFET-proces med BPR er konkurrencedygtig på omkostningerne til en FinFET-proces med BPR. Fordi CFET'er stabler nFET- og pFET-enhederne, tilbyder de betydelige tæthedsforbedringer i forhold til FinFET'er.
En anden konklusion fra figur 6 er, at den monolitiske CFET-proces er billigere end den sekventielle CFET-proces. Den monolitiske CFET-proces udviklet af OEM er meget selvjusteret og omkostningsoptimeret.
Mens han udførte dette arbejde, evaluerede OEM også litografiske muligheder for lokal sammenkobling ved at sammenligne to løsninger:
- EUV lokal sammenkoblingsdornmaske med EUV-snit og EUV via maske.
- EUV lokal sammenkoblingsdornmaske med flermønstret DUV-udskæring og EUV via maske.
Fordi det multimønstrede snit kan implementeres med et relativt simpelt multimønsterskema, fandt de ud af, at de kunne spare $52, selvom der ville være en vis cyklustidspåvirkning.
Konklusion
De accelererende omkostningsstigninger til at fremstille førende wafere driver behovet for at skifte fra PPA-baseret teknologiudvikling til PPAC-baseret teknologiudvikling. Partnerskabet mellem IC Knowledge og Synopsys vil for første gang give industrien muligheden for at designe til PPAC i et virtuelt miljø, før det nogensinde kører wafers. Denne kapacitet vil være en game changer for industrien og muliggøre den fortsatte udvikling af Moores lov.
Referencer
[1] Geoffrey Yeap fra TSMC under Applied Materials IEDM 2019 panel "Logic: EUV is Here, Now What?, "Power Performance Area Cost Time - PPACT where new technologys need to be on-time".
[2] Luc Van Den Hove, præsident og administrerende direktør for Imec, Imec Technology Forum 2020, "Technologies for People in the New Normal", slide 45, "Scaling Roadmap" "Power - Performance - Area - Cost".
[3] Anvendte materialer, "Selective Gap Fill Announcement," SEMICON West 2020, slide 2, "Power, Performance, Area-Cost", inklusive t for time to market.
Del dette opslag via: Kilde: https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/304437-sispad-cost-simulations-to-enable-ppac-aware-technology-development/
- 000
- 2019
- 2020
- 2021
- 3d
- Konto
- algoritmer
- Alle
- Fondsbørsmeddelelse
- arkitektur
- OMRÅDE
- tilgængelighed
- beta
- Bygning
- ringe
- Kapacitet
- kapital
- Direktør
- kommerciel
- Virksomheder
- Konference
- opbygge
- kontrakter
- Omkostninger
- lande
- Nuværende
- Kunder
- Den
- Design
- udvikle
- Udvikling
- Enheder
- dollars
- kørsel
- Indtjening
- indtjeningsopkald
- Edge
- effektivitet
- elektricitet
- elleve
- Ingeniører
- Miljø
- udstyr
- skøn
- evolution
- eksperiment
- Facility
- Fed
- Figur
- Endelig
- Fornavn
- første gang
- flow
- spil
- kløft
- GAS
- link.
- Hvordan
- HTTPS
- Hundreder
- identificere
- KIMOs Succeshistorier
- Herunder
- industrien
- forsikring
- IT
- Nøgle
- viden
- arbejdskraft
- stor
- Lov
- førende
- Bibliotek
- lokale
- Making
- Marked
- maske
- materialer
- model
- modellering
- Naturgas
- tilbyde
- drift
- Indstillinger
- Andet
- Andre
- Partnerskab
- Mennesker
- ydeevne
- fysisk
- bælg
- magt
- Premiere
- præsident
- pris
- produceret
- jernbane
- Resultater
- Kør
- kører
- lønninger
- Halvledere
- sæt
- Shell
- Simpelt
- simulation
- SIX
- Løsninger
- Space
- delt
- Status
- Kontakt
- Systemer
- taiwan
- mål
- Teknologier
- Teknologier
- Test
- verdenen
- tid
- transportere
- brugere
- versus
- Virtual
- Vand
- Vest
- Hvad er
- WHO
- Arbejde
- world
- år
- år