Faits saillants du TSMC Technology Symposium 2021 – Silicon Technology

Récemment, TSMC a organisé son symposium technologique annuel, fournissant une mise à jour sur la technologie du processus de silicium et la feuille de route de l'emballage. Cet article passera en revue les points forts des développements du procédé silicium et les projets de versions futures.

Les articles suivants décriront les offres d'emballage et approfondiront le développement technologique et la qualification spécifiquement pour le secteur automobile. Il y a plusieurs années, TSMC a défini quatre « plates-formes » qui bénéficieraient d'investissements uniques en R&D pour optimiser des offres techniques spécifiques : le calcul haute performance (HPC) ; mobile; informatique de pointe/IoT (consommation/fuite ultra-faible) ; et l'automobile. L'accent mis sur le développement de processus pour le marché automobile était un thème dominant lors du symposium et sera abordé dans un article séparé.

Entre parenthèses, ces plateformes restent le fondement de la feuille de route de TSMC. Pourtant, le segment mobile a évolué au-delà des smartphones (4G) pour englober un ensemble plus large d'applications. L'émergence de la « transformation des données numériques » a conduit à une demande accrue d'options de communication sans fil entre les appareils de périphérie et les ressources du cloud/centre de données – par exemple, les réseaux WiFi6/6E, 5G/6G (industriels et métropolitains). En conséquence, TSMC met l'accent sur son investissement dans le développement de technologies de processus RF, pour répondre à ce segment en expansion.

Général

Voici quelques points saillants généraux du symposium, suivis d'annonces spécifiques sur les technologies de traitement.

• l'étendue des offres

En 2020, TSMC a étendu son support pour englober 281 technologies de processus distinctes, expédiant 11,617 510 produits à XNUMX clients. Comme les années précédentes, TSMC a déclaré fièrement « nous n’avons jamais fermé une usine de fabrication ».

La capacité actuelle en 2020 dépasse 12 millions de tranches (équivalent 12 pouces), avec des investissements d'expansion pour les nœuds de processus avancés (numériques) et spécialisés.

• investissement en biens d'équipement

TSMC prévoit d'investir un total de 100 milliards de dollars au cours des trois prochaines années, dont 30 milliards de dollars de dépenses en capital cette année, pour répondre aux besoins des clients mondiaux.

Le chiffre d'affaires mondial de TSMC en 2020 s'élevait à 47.78 milliards de dollars – l'engagement annuel de 30 milliards de dollars en faveur de l'expansion de la fabrication suggérerait certainement une attente de croissance significative et étendue du marché des semi-conducteurs, en particulier pour les familles de processus 7 nm et 5 nm. Par exemple, les nouvelles bandes (NTO) pour la famille 7 nm augmenteront de 60 % en 2021.

TSMC a commencé la construction d'une usine de fabrication américaine à Phoenix, en Arizona – la production en volume du procédé N5 débutera en 2024 (~ 20 XNUMX plaquettes par mois).

• initiatives environnementales

Les Fabs sont des consommateurs exigeants d’électricité, d’eau et de produits chimiques (réactifs). TSMC se concentre sur la transition vers des sources d’énergie 100 % renouvelables d’ici 2050 (25 % d’ici 2030). De plus, TSMC investit dans des systèmes de recyclage et de purification « zéro déchet », permettant de redonner aux produits chimiques usagés une qualité « de qualité électronique ».

Une mise en garde… Notre secteur est notoirement cyclique, avec des hausses et des ralentissements économiques amplifiés. Le message clair de TSMC lors du symposium est que l'adoption accélérée des semi-conducteurs sur toutes les plates-formes – des centres de calcul gourmands en données aux communications sans fil/mobiles en passant par les systèmes automobiles et les appareils à faible consommation – se poursuivra dans un avenir prévisible.

Feuille de route technologique des processus

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

La figure ci-dessous résume la feuille de route des technologies avancées.

N7+ représente l’introduction de la lithographie EUV au processus de base N7. N5 est en production en volume depuis 2020.

N3 restera une offre technologique basée sur FinFET, avec une production en volume commençant au 2S2022. Par rapport à N5, N3 fournira :

• +10-15% de performance (iso-puissance)
• -25-30% de puissance (iso-performance)
• +70 % de densité logique
• +20% de densité SRAM
• +10 % de densité analogique

TSMC Foundation IP propose généralement deux bibliothèques de cellules standard (de différentes hauteurs de piste) pour répondre aux performances uniques et à la densité logique des segments HPC et mobile. Pour N3, la nécessité d'une « couverture complète » de la plage performances/puissance (et du domaine de tension d'alimentation) a conduit à l'introduction d'une troisième bibliothèque de cellules standard, comme illustré ci-dessous.

L'activation de la conception pour N3 progresse vers le statut PDK v1.0 au prochain trimestre, avec un large ensemble d'IP qualifiés d'ici le 2e/3e trimestre 2022.

N4 est un « coup de pouce » unique au processus de production N5 existant. Un rétrécissement optique est directement disponible, compatible avec les conceptions N5 existantes. De plus, pour les nouvelles conceptions (ou les conceptions existantes souhaitant poursuivre une réimplémentation physique), certaines améliorations sont disponibles aux règles de conception N5 actuelles et une mise à jour des bibliothèques de cellules standard.

De même, N6 est une mise à jour de la famille 7 nm, avec une adoption croissante de la lithographie EUV (par rapport au N7+). TSMC a indiqué : « N7 reste une offre clé pour le nombre croissant de conceptions d'accélérateurs mobiles et d'IA 5G en 2021. »

• N7HPC et N5HPC

Une indication des exigences de performance exigeantes de la plate-forme HPC est l'intérêt du client à appliquer une tension d'alimentation « overdrive », au-dessus de la limite nominale VDD du processus. TSMC proposera des variantes de processus uniques « N7HPC » (4Q21) et « N5HPC » (2Q22) prenant en charge l'overdrive, comme illustré ci-dessous.

Il y aura une version de conception SRAM IP correspondante pour ces technologies HPC. Comme prévu, les concepteurs intéressés par cette option de performances (pourcentage d'amélioration à un chiffre) devront prendre en compte l'augmentation des fuites statiques, les facteurs d'accélération de la fiabilité BEOL et les mécanismes de défaillance liés au vieillissement des appareils. L'investissement de TSMC dans le développement et la qualification de processus spécifiquement optimisés pour les plates-formes individuelles est remarquable. (La dernière variante de processus spécifique au HPC se trouvait au niveau du nœud 28 nm.)

• Technologie RF

La demande du marché pour les communications sans fil WiFi6/6E et 5G (sub-6GHz et mmWave) a conduit TSMC à se concentrer davantage sur l'optimisation des processus pour les appareils RF. Les commutateurs RF constituent également un domaine d’application clé. Les protocoles de communication sans fil à faible consommation, tels que Bluetooth (avec une fonctionnalité d'intégration numérique importante), sont également au centre de l'attention. Les systèmes d’imagerie radar automobile connaîtront sans aucun doute une demande croissante. Les applications mmWave sont résumées dans la figure ci-dessous.

Les deux paramètres clés généralement utilisés pour décrire les performances de la technologie RF sont :

• appareil Ft (« fréquence de coupure »), où le gain de courant = 1, inversement proportionnel à la longueur du canal de l'appareil, L
• dispositif Fmax (« fréquence maximale d'oscillation »), où gain de puissance = 1, proportionnel à la racine carrée de Ft, inversement proportionnel à la racine carrée de Cgd et Rg

La feuille de route de la technologie TSMC RF est présentée ci-dessous, divisée en différents segments d'application.

Le processus N6RF a été mis en avant lors du symposium. Une comparaison des performances de l'appareil avec le N16FFC-RF est présentée ci-dessous.

Les processus N28HPC+RF et N16FFC-RC ont également récemment reçu des améliorations – par exemple, des améliorations de la résistance de grille parasite, Rg, ont été mises en évidence. Pour les applications d'amplificateurs à faible bruit (LNA), TSMC fait évoluer ses offres SOI à 130 nm et 40 nm.

• Technologies ULP/ULL

Les applications de l'IoT et des appareils de pointe devraient devenir plus répandues, exigeant un débit de calcul croissant avec une très faible dissipation de puissance (ULP) combinée à une dissipation de puissance statique à très faible fuite (ULL) pour une durée de vie améliorée de la batterie.

TSMC a fourni des variantes de processus ULP, c'est-à-dire une fonctionnalité opérationnelle pour IP à une très faible tension d'alimentation VDD. TSMC a également permis des solutions ULL, avec des appareils/IP utilisant des tensions de seuil optimisées.

Un aperçu de la plate-forme IoT (ULP/ULL) et de la feuille de route des processus est donné ci-dessous.

Le nœud de processus N12e a été mis en avant par TSMC, intégrant une technologie de mémoire non volatile intégrée (MRAM ou RRAM), avec une fonctionnalité de cellule standard jusqu'à 0.55 V (en utilisant des dispositifs SVT ; des cellules à faible Vt permettraient une VDD et une puissance active inférieures avec une fuite plus élevée). . Une attention comparable a également été portée à la réduction du courant de fuite Vmin et de veille du N12e SRAM IP.

Résumé

Lors du symposium, TSMC a présenté plusieurs nouveaux développements de processus, avec des optimisations spécifiques pour les plateformes HPC, IoT et automobiles. Les améliorations de la technologie RF constituent également une priorité, en faveur de l'adoption rapide de nouvelles normes de communications sans fil. Et, bien sûr, même si cela n'a pas été beaucoup souligné lors du symposium, il existe une feuille de route d'exécution claire pour les nœuds de processus principaux avancés – N7+, N5 et N3 – avec des améliorations continues supplémentaires des processus, comme en témoigne la publication de processus intermédiaires. noeuds N6 et N4.

Pour plus d'informations sur la feuille de route de la technologie numérique de TSMC, veuillez suivre ceci lien.

-chipguy

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