TSMCテクノロジーシンポジウム2021のハイライト – シリコンテクノロジー

最近、TSMC は年次テクノロジー シンポジウムを開催し、シリコン プロセス テクノロジーとパッケージング ロードマップに関する最新情報を提供しました。 この記事では、シリコン プロセス開発のハイライトと将来のリリース計画について概説します。

以降の記事では、パッケージング製品について説明し、特に自動車分野向けの技術開発と認定について詳しく説明します。 数年前、TSMC は、特定の技術提供を最適化するために独自の研究開発投資を受ける XNUMX つの「プラットフォーム」を定義しました。 携帯; エッジ/IoT コンピューティング (超低電力/リーク)。 そして自動車。 自動車市場向けのプロセス開発への焦点は、シンポジウムで広く見られたテーマであり、別の記事で取り上げます。

括弧内に、これらのプラットフォームは引き続き TSMC のロードマップの基盤です。 しかし、モバイルセグメントは（4G）スマートフォンを超えて進化し、より幅広いアプリケーションを網羅しています。 「デジタル データ トランスフォーメーション」の出現により、エッジ デバイスとクラウド/データ センター リソース (WiFi6/6E、5G/6G (産業用および都市圏) ネットワークなど) 間の無線通信オプションに対する需要が増加しました。 その結果、TSMCは、この拡大するセグメントに対処するために、RFプロセス技術開発への投資に重点を置いています。

ここでは、シンポジウムの一般的なハイライトをいくつか紹介し、その後に具体的なプロセス技術の発表を紹介します。

• 幅広い品揃え

2020 年、TSMC はサポートを 281 の異なるプロセス テクノロジを網羅するように拡張し、11,617 個の製品を 510 の顧客に出荷しました。 例年と同様、TSMCは「当社は工場を閉鎖したことがない」と誇らしげに述べた。

2020 年の現在の生産能力は 12 万 (12 インチ相当) ウェーハを超え、先進的な (デジタル) プロセス ノードと特殊なプロセス ノードの両方に対する拡張投資が行われています。

• 設備投資

TSMCは、世界の顧客ニーズをサポートするために、今年の100億米ドルの設備投資を含む、今後30年間で総額XNUMX億米ドルを投資する予定です。

TSMC の 2020 年の世界収益は 47.78 億 30 万ドルでした。ファブ拡張に対する年間 7 億ドルのコミットメントは、特に 5nm および 7nm プロセス ファミリにおいて、半導体市場の大幅かつ長期的な成長が期待されることを確実に示唆しています。 たとえば、60nm ファミリの新しいテープアウト (NTO) は 2021 年に XNUMX% 増加すると予想されます。

TSMC はアリゾナ州フェニックスに米国工場の建設を開始しました。N5 プロセスの量産は 2024 年に開始される予定です (月あたり約 20 枚のウェーハ)。

• 環境への取り組み

工場は、消費者に電力、水、および（反応性）化学物質を要求しています。 TSMC は、100 年までに 2050% 再生可能エネルギー源への移行に注力しています (25 年までに 2030%)。 さらに、TSMCは「廃棄物ゼロ」のリサイクルおよび浄化システムに投資し、使用済み化学物質を「電子グレード」の品質に戻します。

注意点が XNUMX つあります。私たちの業界は周期性があり、景気の上昇と下降が増幅されることで有名です。 シンポジウムでのTSMCからの明確なメッセージは、データ集約型計算センターから無線/モバイル通信、自動車システム、低電力デバイスに至るまで、あらゆるプラットフォームでの半導体採用の加速が当面は続くだろうというものだ。

プロセステクノロジーのロードマップ

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

以下の図は、先端技術ロードマップをまとめたものです。

N7+ は、ベースライン N7 プロセスへの EUV リソグラフィーの導入を表します。 N5 は 2020 年から量産されています。

N3 は引き続き FinFET ベースのテクノロジー製品であり、量産は 2 年下半期に開始されます。 N2022 と比較して、N5 は以下を提供します。

• +10-15% パフォーマンス (アイソパワー)
• -25 ～ 30% のパワー (等値パフォーマンス)
• +70% ロジック密度
• +20% SRAM 密度
• +10% アナログ密度

TSMC Foundation IP は、HPC およびモバイル セグメントの独自のパフォーマンスとロジック密度に対応するために、一般的に 3 つの標準セル ライブラリ (トラックの高さが異なる) を提供しています。 NXNUMX では、性能/電力 (および電源電圧ドメイン) 範囲を「完全にカバー」する必要があるため、以下に示すように XNUMX 番目のスタンダード セル ライブラリが導入されました。

N3 の設計有効化は次の四半期に v1.0 PDK ステータスに向けて進められており、2 年の第 3 四半期/第 2022 四半期までに幅広い IP セットが認定されます。

N4 は、既存の N5 生産プロセスに対する独自の「プッシュ」です。 既存の N5 設計と互換性のある光学シュリンクを直接利用できます。 さらに、新しいデザイン (または物理的な再実装を追求する既存のデザイン) の場合は、現在の N5 デザイン ルールに対するいくつかの利用可能な拡張機能と、標準セル ライブラリの更新が用意されています。

同様に、N6 は 7nm ファミリのアップデートであり、(N7+ よりも) EUV リソグラフィの採用が増加しています。 TSMC は、「N7 は、5 年に増加する 2021G モバイルおよび AI アクセラレータ設計にとって引き続き重要な製品である」と述べています。

• N7HPC および N5HPC

HPC プラットフォームの厳しいパフォーマンス要件の表れは、公称プロセス VDD 制限を超える電源電圧「オーバードライブ」を適用することに顧客が関心を持っていることです。 TSMC は、以下に示すように、オーバードライブをサポートする独自の「N7HPC」 (4 年第 21 四半期) および「N5HPC」 (2 年第 22 四半期) プロセス バリアントを提供する予定です。

これらの HPC テクノロジーに対応する SRAM IP デザイン リリースが存在する予定です。 予想通り、この (28 桁のパーセント向上) パフォーマンス オプションに関心のある設計者は、静的リークの増加、BEOL の信頼性加速要因、およびデバイスの経年劣化による故障メカニズムに対処する必要があります。 個々のプラットフォームに特化して最適化されたプロセスの開発と認定に対する TSMC の投資は注目に値します。 (最後の HPC 固有のプロセス バリアントは XNUMXnm ノードにありました。)

• RFテクノロジー

WiFi6/6E および 5G (サブ 6GHz およびミリ波) 無線通信に対する市場の需要により、TSMC は RF デバイスのプロセス最適化にさらに注力するようになりました。 RF スイッチも重要な応用分野です。 Bluetooth (重要なデジタル統合機能を備えた) などの低電力無線通信プロトコルも同様に注目されています。 自動車用レーダー画像システムの需要は間違いなく増大するでしょう。 ミリ波アプリケーションを以下の図にまとめます。

RF テクノロジーのパフォーマンスを説明するために通常使用される XNUMX つの主要なパラメーターは次のとおりです。

• デバイス Ft (「カットオフ周波数」)、電流ゲイン = 1、デバイスのチャネル長 L に反比例
• デバイス Fmax (「最大発振周波数」)、パワー ゲイン = 1、Ft の平方根に比例、Cgd と Rg の平方根に反比例

TSMC RF テクノロジーのロードマップを以下に示します。さまざまなアプリケーション セグメントに分割されています。

N6RF プロセスはシンポジウムで強調されました。N16FFC-RF とのデバイス性能比較を以下に示します。

N28HPC+RF および N16FFC-RC プロセスも最近機能強化を受けました。たとえば、寄生ゲート抵抗 Rg の改善が注目されました。 低ノイズアンプ (LNA) アプリケーション向けに、TSMC は 130nm および 40nm での SOI 製品を進化させています。

• ULP/ULLテクノロジーズ

IoT およびエッジ デバイス アプリケーションはさらに普及すると予測されており、バッテリー寿命を向上させるために、超低リーク (ULL) 静的消費電力と組み合わせた超低消費電力 (ULP) での計算スループットの向上が求められています。

TSMC は、ULP プロセスのバリアント、つまり、非常に低い VDD 電源電圧での IP の動作機能を提供しています。 TSMC は、デバイス/IP が最適化されたしきい値電圧を利用する ULL ソリューションも実現しました。

IoT (ULP/ULL) プラットフォームとプロセスのロードマップの概要を以下に示します。

N12eプロセスノードはTSMCによって強調され、埋め込み型不揮発性メモリ技術（MRAMまたはRRAM）を、0.55Vまでの標準セル機能と統合しています（SVTデバイスを使用。低Vtセルにより、より低いVDDとより高いリークでの有効電力が可能になります） 。 N12e SRAM IP の Vmin とスタンバイ リーク電流の削減にも同様に重点が置かれています。

まとめ

TSMCはシンポジウムで、HPC、IoT、自動車プラットフォームに特化した最適化を伴う、いくつかの新しいプロセス開発を紹介した。 新しい無線通信規格の迅速な採用を支援するために、RF テクノロジーの強化にも焦点が当てられています。 そして確かに、シンポジウムではあまり強調されませんでしたが、先進的な主流プロセス ノード (N7+、N5、N3) には明確な実行ロードマップがあり、中間バージョンのリリースに反映されているように追加の継続的なプロセスの改善が行われています。ノードN6とN4。

TSMC のデジタル テクノロジー ロードマップの詳細については、こちらをご覧ください。 .

-チップガイ

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