Τα κυριότερα σημεία του Συμποσίου Τεχνολογίας TSMC 2021 – Τεχνολογία πυριτίου

Πρόσφατα, η TSMC πραγματοποίησε το ετήσιο Τεχνολογικό Συμπόσιό της, παρέχοντας μια ενημέρωση σχετικά με την τεχνολογία διεργασιών πυριτίου και τον οδικό χάρτη συσκευασίας. Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τα κυριότερα σημεία των εξελίξεων της διαδικασίας πυριτίου και τα μελλοντικά σχέδια κυκλοφορίας.

Τα επόμενα άρθρα θα περιγράψουν τις προσφορές συσκευασίας και θα εμβαθύνουν στην ανάπτυξη τεχνολογίας και τα προσόντα ειδικά για τον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Πριν από αρκετά χρόνια, η TSMC όρισε τέσσερις «πλατφόρμες» που θα λάμβαναν μοναδικές επενδύσεις Ε&Α για τη βελτιστοποίηση συγκεκριμένων τεχνικών προσφορών: υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC). κινητό; υπολογιστές edge/IoT (εξαιρετικά χαμηλής ισχύος/διαρροής). και αυτοκινητοβιομηχανία. Η εστίαση στην ανάπτυξη διεργασιών για την αγορά του αυτοκινήτου ήταν ένα διαδεδομένο θέμα στο Συμπόσιο και θα καλυφθεί σε ξεχωριστό άρθρο.

Παρενθετικά, αυτές οι πλατφόρμες παραμένουν το θεμέλιο του οδικού χάρτη της TSMC. Ωστόσο, το τμήμα των κινητών έχει εξελιχθεί πέρα ​​από τα smartphone (4G) για να περιλαμβάνει ένα ευρύτερο σύνολο εφαρμογών. Η εμφάνιση του «μετασχηματισμού ψηφιακών δεδομένων» οδήγησε σε αυξημένη ζήτηση για επιλογές ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ συσκευών άκρων και πόρων cloud/κέντρων δεδομένων – π.χ. WiFi6/6E, 5G/6G (βιομηχανικά και μητροπολιτικά) δίκτυα. Ως αποτέλεσμα, η TSMC δίνει έμφαση στην επένδυσή της στην ανάπτυξη τεχνολογίας διεργασιών ραδιοσυχνοτήτων, για να αντιμετωπίσει αυτό το αναπτυσσόμενο τμήμα.

General

Ακολουθούν ορισμένα γενικά σημεία από το Συμπόσιο, ακολουθούμενα από συγκεκριμένες ανακοινώσεις τεχνολογίας διεργασιών.

• εύρος προσφορών

Το 2020, η TSMC επέκτεινε την υποστήριξή της για να συμπεριλάβει 281 διακριτές τεχνολογίες διεργασιών, αποστέλλοντας 11,617 προϊόντα σε 510 πελάτες. Όπως και τα προηγούμενα χρόνια, η TSMC δήλωσε περήφανα «δεν έχουμε κλείσει ποτέ ένα fab».

Η τρέχουσα χωρητικότητα το 2020 υπερβαίνει τα 12 εκατ. (ισοδύναμα 12") γκοφρέτες, με επενδύσεις επέκτασης τόσο για προηγμένους (ψηφιακούς) όσο και για εξειδικευμένους κόμβους διεργασιών.

• επένδυση κεφαλαίου εξοπλισμού

Η TSMC σχεδιάζει να επενδύσει συνολικά 100 δισεκατομμύρια δολάρια τα επόμενα τρία χρόνια, συμπεριλαμβανομένης της κεφαλαιουχικής δαπάνης 30 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ φέτος, για την υποστήριξη των παγκόσμιων αναγκών των πελατών.

Τα παγκόσμια έσοδα της TSMC το 2020 ήταν 47.78 δισεκατομμύρια δολάρια – η ετήσια δέσμευση 30 δισεκατομμυρίων δολαρίων για την επέκταση της fab σίγουρα θα υποδηλώνει μια προσδοκία σημαντικής και εκτεταμένης ανάπτυξης της αγοράς ημιαγωγών, ειδικά για τις οικογένειες διεργασιών 7nm και 5nm. Για παράδειγμα, τα νέα tapeouts (NTO) για την οικογένεια των 7nm θα αυξηθούν κατά 60% το 2021.

Η TSMC ξεκίνησε την κατασκευή ενός εργοστασίου στις ΗΠΑ στο Phoenix, AZ – η παραγωγή όγκου της διαδικασίας N5 θα ξεκινήσει το 2024 (~ 20 γκοφρέτες ανά μήνα).

• περιβαλλοντικές πρωτοβουλίες

Οι Fabs είναι απαιτητικοί καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας, νερού και (αντιδραστικών) χημικών. Η TSMC επικεντρώνεται στη μετάβαση σε 100% ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έως το 2050 (25% έως το 2030). Επιπλέον, η TSMC επενδύει σε συστήματα ανακύκλωσης και καθαρισμού «μηδενικών αποβλήτων», επιστρέφοντας τα χρησιμοποιημένα χημικά σε ποιότητα «ηλεκτρονικής ποιότητας».

Μια προειδοποιητική σημείωση… Ο κλάδος μας είναι περίφημος κυκλικός, με ενισχυμένες οικονομικές ανόδους και πτώσεις. Το σαφές μήνυμα από την TSMC στο Συμπόσιο είναι ότι η επιταχυνόμενη υιοθέτηση ημιαγωγών σε όλες τις πλατφόρμες — από υπολογιστικά κέντρα υψηλής έντασης δεδομένων έως ασύρματες/κινητές επικοινωνίες έως συστήματα αυτοκινήτου έως συσκευές χαμηλής κατανάλωσης – θα συνεχιστεί στο άμεσο μέλλον.

Οδικός χάρτης τεχνολογίας διαδικασιών

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

Το παρακάτω σχήμα συνοψίζει τον οδικό χάρτη προηγμένης τεχνολογίας.

Το N7+ αντιπροσωπεύει την εισαγωγή της λιθογραφίας EUV στη βασική διαδικασία N7. Το N5 βρίσκεται σε παραγωγή όγκου από το 2020.

Το N3 θα παραμείνει μια προσφορά τεχνολογίας που βασίζεται στο FinFET, με όγκο παραγωγής να ξεκινά το 2ο εξάμηνο του 2022. Σε σύγκριση με το N5, το N3 θα παρέχει:

• +10-15% απόδοση (iso-power)
• -25-30% ισχύς (ισο-απόδοση)
• +70% λογική πυκνότητα
• +20% πυκνότητα SRAM
• +10% αναλογική πυκνότητα

Η TSMC foundation IP έχει συνήθως προσφέρει δύο τυπικές βιβλιοθήκες κυψελών (διαφορετικού ύψους κομματιού) για την αντιμετώπιση της μοναδικής απόδοσης και λογικής πυκνότητας των τμημάτων HPC και κινητών. Για το N3, η ανάγκη για «πλήρη κάλυψη» του εύρους απόδοσης/τροφοδοσίας (και τομέα τάσης τροφοδοσίας) οδήγησε στην εισαγωγή μιας τρίτης τυπικής βιβλιοθήκης κυψελών, όπως απεικονίζεται παρακάτω.

Η ενεργοποίηση σχεδίασης για το N3 εξελίσσεται προς την κατάσταση PDK v1.0 το επόμενο τρίμηνο, με ένα ευρύ σύνολο IP να έχει αναγνωριστεί έως το 2ο/3ο τρίμηνο του 2022.

Το N4 είναι μια μοναδική «ώθηση» στην υπάρχουσα διαδικασία παραγωγής N5. Μια οπτική συρρίκνωση είναι άμεσα διαθέσιμη, συμβατή με τα υπάρχοντα σχέδια N5. Επιπλέον, για νέα σχέδια (ή υπάρχοντα σχέδια που ενδιαφέρονται να συνεχίσουν μια φυσική εκ νέου υλοποίηση), υπάρχουν ορισμένες διαθέσιμες βελτιώσεις στους τρέχοντες κανόνες σχεδίασης N5 και μια ενημέρωση στις τυπικές βιβλιοθήκες κελιών.

Ομοίως, το N6 είναι μια ενημέρωση για την οικογένεια των 7nm, με αυξανόμενη υιοθέτηση της λιθογραφίας EUV (πάνω από N7+). Η TSMC ανέφερε, «Το N7 παραμένει μια βασική προσφορά για τον αυξανόμενο αριθμό σχεδίων κινητών τηλεφώνων και επιταχυντών AI το 5».

• N7HPC και N5HPC

Μια ένδειξη των απαιτητικών απαιτήσεων απόδοσης της πλατφόρμας HPC είναι το ενδιαφέρον των πελατών για την εφαρμογή τάσης τροφοδοσίας «overdrive», πάνω από το ονομαστικό όριο διεργασίας VDD. Η TSMC θα προσφέρει μοναδικές παραλλαγές διεργασιών «N7HPC» (4Q21) και «N5HPC» (2Q22) που υποστηρίζουν overdrive, όπως φαίνεται παρακάτω.

Θα υπάρξει μια αντίστοιχη έκδοση σχεδιασμού SRAM IP για αυτές τις τεχνολογίες HPC. Όπως αναμενόταν, οι σχεδιαστές που ενδιαφέρονται για αυτήν την επιλογή απόδοσης (μονοψήφια ποσοστιαία βελτίωση) θα πρέπει να αντιμετωπίσουν την αυξημένη στατική διαρροή, τους παράγοντες επιτάχυνσης αξιοπιστίας BEOL και τους μηχανισμούς αστοχίας γήρανσης της συσκευής. Η επένδυση της TSMC στην ανάπτυξη και την πιστοποίηση διαδικασιών που έχουν βελτιστοποιηθεί ειδικά για μεμονωμένες πλατφόρμες είναι αξιοσημείωτη. (Η τελευταία παραλλαγή διαδικασίας ειδικής HPC ήταν στον κόμβο των 28 nm.)

• Τεχνολογία RF

Η ζήτηση της αγοράς για ασύρματες επικοινωνίες WiFi6/6E και 5G (sub-6GHz και mmWave) οδήγησε την TSMC να αυξήσει την εστίαση στις βελτιστοποιήσεις διαδικασιών για συσκευές RF. Οι διακόπτες ραδιοσυχνοτήτων αποτελούν επίσης βασικό τομέα εφαρμογής. Τα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας χαμηλής ισχύος, όπως το Bluetooth (με σημαντική λειτουργικότητα ψηφιακής ενσωμάτωσης) αποτελούν επίσης αντικείμενο εστίασης. Τα συστήματα απεικόνισης ραντάρ αυτοκινήτων αναμφίβολα θα αντιμετωπίσουν αυξανόμενη ζήτηση. Οι εφαρμογές mmWave συνοψίζονται στο παρακάτω σχήμα.

Οι δύο βασικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται συνήθως για την περιγραφή της απόδοσης της τεχνολογίας RF είναι:

• συσκευή Ft («συχνότητα αποκοπής»), όπου κέρδος ρεύματος = 1, αντιστρόφως ανάλογο με το μήκος του καναλιού της συσκευής, L
• συσκευή Fmax ("μέγιστη συχνότητα ταλάντωσης"), όπου κέρδος ισχύος = 1, ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα του Ft, αντιστρόφως ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα των Cgd και Rg

Ο οδικός χάρτης τεχνολογίας TSMC RF φαίνεται παρακάτω, χωρισμένος σε διαφορετικά τμήματα εφαρμογών.

Η διαδικασία N6RF επισημάνθηκε στο Συμπόσιο – μια σύγκριση απόδοσης συσκευής με το N16FFC-RF φαίνεται παρακάτω.

Οι διεργασίες N28HPC+RF και N16FFC-RC έλαβαν επίσης πρόσφατα βελτιώσεις – για παράδειγμα, επισημάνθηκαν βελτιώσεις στην αντίσταση της παρασιτικής πύλης, Rg. Για εφαρμογές ενισχυτών χαμηλού θορύβου (LNA), η TSMC εξελίσσει τις προσφορές της SOI στα 130nm και 40nm.

• Τεχνολογίες ULP/ULL

Οι εφαρμογές IoT και συσκευών edge προβλέπεται να γίνουν πιο διάχυτες, απαιτώντας αυξημένη υπολογιστική απόδοση σε πολύ χαμηλή απαγωγή ισχύος (ULP) σε συνδυασμό με στατική απαγωγή ισχύος εξαιρετικά χαμηλής διαρροής (ULL) για βελτιωμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Η TSMC έχει παράσχει παραλλαγές διαδικασίας ULP – δηλαδή λειτουργική λειτουργικότητα για IP σε πολύ χαμηλή τάση τροφοδοσίας VDD. Η TSMC έχει επίσης ενεργοποιήσει λύσεις ULL, με συσκευές/IP που χρησιμοποιούν βελτιστοποιημένες τάσεις κατωφλίου.

Μια επισκόπηση της πλατφόρμας IoT (ULP/ULL) και ο οδικός χάρτης διαδικασιών δίνονται παρακάτω.

Ο κόμβος διεργασίας N12e επισημάνθηκε από το TSMC, ενσωματώνοντας μια ενσωματωμένη τεχνολογία μη πτητικής μνήμης (MRAM ή RRAM), με τυπική λειτουργικότητα κυψέλης έως και 0.55 V (χρησιμοποιώντας συσκευές SVT, κυψέλες χαμηλού Vt θα επέτρεπαν χαμηλότερη VDD και ενεργή ισχύ σε υψηλότερη διαρροή) . Συγκρίσιμη εστίαση έχει δοθεί στη μείωση του ρεύματος διαρροής Vmin και αναμονής του N12e SRAM IP, επίσης.

Χαρακτηριστικά

Στο Συμπόσιο, η TSMC παρουσίασε αρκετές νέες εξελίξεις διαδικασιών, με συγκεκριμένες βελτιστοποιήσεις για πλατφόρμες HPC, IoT και αυτοκινήτων. Οι βελτιώσεις της τεχνολογίας ραδιοσυχνοτήτων αποτελούν επίσης επίκεντρο, για την υποστήριξη της ταχείας υιοθέτησης νέων προτύπων ασύρματων επικοινωνιών. Και, βεβαίως, αν και δεν έλαβε μεγάλη έμφαση στο Συμπόσιο, υπάρχει ένας σαφής οδικός χάρτης εκτέλεσης για τους προηγμένους κόμβους κύριας διαδικασίας – N7+, N5 και N3 – με πρόσθετες συνεχείς βελτιώσεις της διαδικασίας όπως αντικατοπτρίζονται στην κυκλοφορία των ενδιάμεσων κόμβους N6 και N4.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον οδικό χάρτη της ψηφιακής τεχνολογίας της TSMC, ακολουθήστε τον παρακάτω σύνδεσμος.

-τσίκι

Μοιραστείτε αυτήν την ανάρτηση μέσω: Πηγή: https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/299944-highlights-of-the-tsmc-technology-symposium-2021-silicon-technology/