Punti salienti del TSMC Technology Symposium 2021 – Silicon Technology

Recentemente, TSMC ha tenuto il suo annuale Simposio sulla tecnologia, fornendo un aggiornamento sulla tecnologia di processo del silicio e sulla tabella di marcia del packaging. Questo articolo esaminerà i punti salienti degli sviluppi del processo di silicio e i futuri piani di rilascio.

Gli articoli successivi descriveranno le offerte di packaging e approfondiranno lo sviluppo tecnologico e la qualificazione specificatamente per il settore automobilistico. Diversi anni fa, TSMC ha definito quattro “piattaforme” che avrebbero ricevuto investimenti unici in ricerca e sviluppo per ottimizzare offerte tecniche specifiche: calcolo ad alte prestazioni (HPC); mobile; edge/IoT computing (consumo/perdite ultrabassi); e automobilistico. L'attenzione allo sviluppo dei processi per il mercato automobilistico è stato uno dei temi prevalenti del simposio e sarà trattato in un articolo separato.

Tra parentesi, queste piattaforme rimangono il fondamento della tabella di marcia di TSMC. Tuttavia, il segmento mobile si è evoluto oltre gli smartphone (4G) per comprendere una serie più ampia di applicazioni. L'emergere della "trasformazione digitale dei dati" ha portato a una maggiore domanda di opzioni di comunicazione wireless tra dispositivi edge e risorse cloud/data center, ad esempio reti WiFi6/6E, 5G/6G (industriali e metropolitane). Di conseguenza, TSMC sta enfatizzando i propri investimenti nello sviluppo della tecnologia di processo RF, per affrontare questo segmento in espansione.

Generale

Di seguito sono riportati alcuni punti salienti generali del simposio, seguiti da annunci specifici sulla tecnologia di processo.

• ampiezza delle offerte

Nel 2020, TSMC ha esteso il proprio supporto fino a comprendere 281 tecnologie di processo distinte, spedendo 11,617 prodotti a 510 clienti. Come negli anni precedenti, TSMC ha dichiarato con orgoglio “non abbiamo mai chiuso una fabbrica”.

La capacità attuale nel 2020 supera i 12 milioni di wafer (equivalenti a 12 pollici), con investimenti di espansione sia per i nodi di processo avanzati (digitali) che per quelli specializzati.

• investimenti in beni strumentali

TSMC prevede di investire un totale di 100 miliardi di dollari nei prossimi tre anni, inclusa una spesa in conto capitale di 30 miliardi di dollari quest'anno, per supportare le esigenze dei clienti globali.

Il fatturato globale di TSMC nel 2020 è stato di 47.78 miliardi di dollari: l’impegno annuale di 30 miliardi di dollari per l’espansione del settore suggerirebbe certamente un’aspettativa di crescita significativa ed estesa del mercato dei semiconduttori, in particolare per le famiglie di processi a 7 e 5 nm. Ad esempio, i nuovi tapeout (NTO) per la famiglia dei 7 nm aumenteranno del 60% nel 2021.

TSMC ha avviato la costruzione di uno stabilimento statunitense a Phoenix, Arizona: la produzione in volumi del processo N5 inizierà nel 2024 (~ 20 wafer al mese).

• iniziative ambientali

I Fab chiedono consumatori di elettricità, acqua e sostanze chimiche (reattive). TSMC si concentra sulla transizione verso fonti energetiche rinnovabili al 100% entro il 2050 (25% entro il 2030). Inoltre, TSMC sta investendo in sistemi di riciclaggio e purificazione a “rifiuti zero”, riportando le sostanze chimiche usate a una qualità di “grado elettronico”.

Un avvertimento... Il nostro settore è notoriamente ciclico, con rialzi e recessioni economiche amplificati. Il chiaro messaggio di TSMC al Simposio è che l’adozione sempre più rapida dei semiconduttori su tutte le piattaforme – dai centri di calcolo ad alta intensità di dati alle comunicazioni wireless/mobili, dai sistemi automobilistici ai dispositivi a basso consumo – continuerà nel prossimo futuro.

Roadmap della tecnologia di processo

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

La figura seguente riassume la roadmap della tecnologia avanzata.

N7+ rappresenta l'introduzione della litografia EUV nel processo N7 di base. N5 è in produzione in serie dal 2020.

N3 rimarrà un’offerta tecnologica basata su FinFET, con la produzione in volumi a partire dalla seconda metà del 2. Rispetto a N2022, N5 fornirà:

• +10-15% di prestazioni (iso-potenza)
• -25-30% di potenza (iso-prestazioni)
• +70% densità logica
• +20% densità SRAM
• +10% densità analogica

L'IP della fondazione TSMC offre comunemente due librerie di celle standard (con diverse altezze di traccia) per soddisfare le prestazioni uniche e la densità logica dei segmenti HPC e mobile. Per N3, la necessità di una “copertura completa” dell'intervallo prestazioni/potenza (e del dominio della tensione di alimentazione) ha portato all'introduzione di una terza libreria di celle standard, come illustrato di seguito.

L'abilitazione alla progettazione per N3 procederà verso lo stato PDK v1.0 nel prossimo trimestre, con un ampio set di IP qualificati entro il secondo/terzo trimestre del 2.

N4 rappresenta una “spinta” unica al processo di produzione N5 esistente. È direttamente disponibile un restringente ottico, compatibile con i design N5 esistenti. Inoltre, per i nuovi progetti (o progetti esistenti interessati a perseguire una reimplementazione fisica), sono disponibili alcuni miglioramenti alle attuali regole di progettazione N5 e un aggiornamento alle librerie di celle standard.

Allo stesso modo, N6 è un aggiornamento della famiglia da 7 nm, con una crescente adozione della litografia EUV (rispetto a N7+). TSMC ha indicato: "N7 rimane un'offerta chiave per il numero crescente di progetti di acceleratori mobili e AI 5G nel 2021".

• N7HPC e N5HPC

Un'indicazione dei severi requisiti prestazionali della piattaforma HPC è l'interesse del cliente ad applicare una tensione di alimentazione “overdrive”, superiore al limite VDD di processo nominale. TSMC offrirà varianti di processo uniche “N7HPC” (4Q21) e “N5HPC” (2Q22) che supportano l’overdrive, come illustrato di seguito.

Ci sarà una corrispondente versione di progettazione IP SRAM per queste tecnologie HPC. Come previsto, i progettisti interessati a questa opzione prestazionale (miglioramento percentuale a una cifra) dovranno affrontare l'aumento delle perdite statiche, i fattori di accelerazione dell'affidabilità BEOL e i meccanismi di guasto legati all'invecchiamento del dispositivo. Degno di nota è l'investimento di TSMC nello sviluppo e nella qualificazione di processi specificatamente ottimizzati per le singole piattaforme. (L'ultima variante di processo specifica per HPC era al nodo a 28 nm.)

• Tecnologia RF

La domanda del mercato per le comunicazioni wireless WiFi6/6E e 5G (sub-6GHz e mmWave) ha portato TSMC a concentrarsi maggiormente sull'ottimizzazione dei processi per i dispositivi RF. Anche gli interruttori RF rappresentano un'area di applicazione chiave. Anche i protocolli di comunicazione wireless a basso consumo, come il Bluetooth (con significative funzionalità di integrazione digitale), sono al centro dell'attenzione. I sistemi di imaging radar automobilistici saranno senza dubbio soggetti a una domanda crescente. Le applicazioni mmWave sono riepilogate nella figura seguente.

I due parametri chiave tipicamente utilizzati per descrivere le prestazioni della tecnologia RF sono:

• dispositivo Ft (“frequenza di taglio”), dove il guadagno di corrente = 1, inversamente proporzionale alla lunghezza del canale del dispositivo, L
• dispositivo Fmax (“massima frequenza di oscillazione”), dove guadagno di potenza = 1, proporzionale alla radice quadrata di Ft, inversamente proporzionale alla radice quadrata di Cgd e Rg

Di seguito è mostrata la roadmap della tecnologia RF di TSMC, suddivisa in diversi segmenti applicativi.

Il processo N6RF è stato evidenziato al simposio: di seguito è mostrato un confronto delle prestazioni del dispositivo con N16FFC-RF.

Anche i processi N28HPC+RF e N16FFC-RC hanno recentemente ricevuto miglioramenti: ad esempio, sono stati evidenziati miglioramenti nella resistenza del gate parassita, Rg. Per le applicazioni con amplificatori a basso rumore (LNA), TSMC sta evolvendo le proprie offerte SOI a 130 nm e 40 nm.

• Tecnologie ULP/ULL

Si prevede che le applicazioni IoT e i dispositivi edge diventeranno più pervasivi, richiedendo un throughput computazionale crescente con una dissipazione di potenza molto bassa (ULP) combinata con una dissipazione di potenza statica a dispersione ultra bassa (ULL) per una migliore durata della batteria.

TSMC ha fornito varianti del processo ULP, ovvero funzionalità operativa per IP con tensione di alimentazione VDD molto bassa. TSMC ha inoltre abilitato soluzioni ULL, con dispositivi/IP che utilizzano tensioni di soglia ottimizzate.

Di seguito viene fornita una panoramica della piattaforma IoT (ULP/ULL) e della roadmap del processo.

Il nodo del processo N12e è stato evidenziato da TSMC, integrando una tecnologia di memoria non volatile incorporata (MRAM o RRAM), con funzionalità di cella standard fino a 0.55 V (utilizzando dispositivi SVT; celle a basso Vt consentirebbero un VDD inferiore e una potenza attiva con perdite più elevate) . È stata posta un'attenzione analoga per ridurre la Vmin e la corrente di dispersione in standby anche della SRAM IP N12e.

Sommario

Al simposio, TSMC ha introdotto diversi nuovi sviluppi di processo, con ottimizzazioni specifiche per piattaforme HPC, IoT e automobilistiche. Anche i miglioramenti della tecnologia RF sono al centro dell’attenzione, a sostegno della rapida adozione di nuovi standard di comunicazione wireless. E, a dire il vero, anche se non ha ricevuto molta enfasi al Simposio, esiste una chiara tabella di marcia di esecuzione per i nodi di processo tradizionali avanzati – N7+, N5 e N3 – con ulteriori continui miglioramenti del processo come riflesso nel rilascio di intermedi nodi N6 e N4.

Per ulteriori informazioni sulla roadmap della tecnologia digitale di TSMC, segui questo link.

-chip

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