TSMC 기술 심포지엄 2021의 하이라이트 - 실리콘 기술

최근 TSMC는 연례 기술 심포지엄을 개최하여 실리콘 공정 기술 및 패키징 로드맵에 대한 업데이트를 제공했습니다. 이 기사에서는 실리콘 프로세스 개발의 주요 내용과 향후 출시 계획을 검토할 것입니다.

후속 기사에서는 패키징 제품에 대해 설명하고 특히 자동차 부문을 위한 기술 개발 및 인증에 대해 자세히 알아볼 것입니다. 몇 년 전 TSMC는 특정 기술 제품을 최적화하기 위해 고유한 R&D 투자를 받을 XNUMX가지 "플랫폼"을 정의했습니다. 고성능 컴퓨팅(HPC); 이동하는; 엣지/IoT 컴퓨팅(초저전력/누설); 그리고, 자동차. 자동차 시장을 위한 프로세스 개발에 대한 초점은 심포지엄의 주요 주제였으며, 이에 대해서는 별도의 기사에서 다룰 예정입니다.

괄호 안에 이러한 플랫폼은 TSMC 로드맵의 기초로 남아 있습니다. 그러나 모바일 부문은 (4G) 스마트폰을 넘어 더욱 광범위한 애플리케이션을 포괄하도록 발전했습니다. "디지털 데이터 변환"의 출현으로 인해 WiFi6/6E, 5G/6G(산업 및 대도시) 네트워크와 같은 에지 장치와 클라우드/데이터 센터 리소스 간의 무선 통신 옵션에 대한 수요가 증가했습니다. 결과적으로 TSMC는 이 확대되는 부문을 해결하기 위해 RF 공정 기술 개발에 대한 투자를 강조하고 있습니다.

일반

다음은 심포지엄의 몇 가지 일반적인 주요 내용과 구체적인 공정 기술 발표 내용입니다.

• 다양한 제품

2020년에 TSMC는 281개의 개별 공정 기술을 포괄하도록 지원을 확대하여 11,617개의 고객에게 510개의 제품을 배송했습니다. 전년도와 마찬가지로 TSMC는 "우리는 팹을 폐쇄한 적이 없습니다"라고 자랑스럽게 밝혔습니다.

2020년 현재 생산 능력은 고급(디지털) 및 특수 프로세스 노드 모두에 대한 확장 투자로 12만 개(12인치 상당) 웨이퍼를 초과합니다.

• 자본 장비 투자

TSMC는 글로벌 고객 요구를 지원하기 위해 올해 자본 지출 100억 달러를 포함해 향후 30년간 총 XNUMX억 달러를 투자할 계획이다.

TSMC의 2020년 전 세계 매출은 47.78억 30천만 달러였습니다. 연간 7억 달러의 팹 확장 약속은 특히 5nm 및 7nm 프로세스 제품군의 경우 상당한 규모의 반도체 시장 성장이 예상됨을 의미합니다. 예를 들어 60nm 제품군의 새로운 테이프아웃(NTO)은 2021년에 XNUMX% 증가할 것입니다.

TSMC는 애리조나주 피닉스에 미국 공장 건설을 시작했습니다. N5 공정의 대량 생산은 2024년에 시작될 예정입니다(월당 최대 20개의 웨이퍼).

• 환경 이니셔티브

제조공장에서는 소비자에게 전기, 물, (반응성) 화학물질을 요구하고 있습니다. TSMC는 100년까지 2050% 재생에너지원으로 전환하는 데 주력하고 있습니다(25년까지 2030%). 또한 TSMC는 "폐기물 제로" 재활용 및 정화 시스템에 투자하여 사용한 화학물질을 "전자 등급" 품질로 되돌리고 있습니다.

한 가지 주의 사항… 우리 산업은 경제 호황과 침체가 증폭되는 주기적인 산업으로 유명합니다. 심포지엄에서 TSMC가 전하는 분명한 메시지는 데이터 집약적인 컴퓨팅 센터부터 무선/모바일 통신, 자동차 시스템, 저전력 장치에 이르기까지 모든 플랫폼에서 반도체 채택이 가속화되고 있다는 것입니다.

공정 기술 로드맵

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

아래 그림은 첨단기술 로드맵을 요약한 것입니다.

N7+는 기본 N7 프로세스에 EUV 리소그래피가 도입되었음을 나타냅니다. N5는 2020년부터 대량 생산되었습니다.

N3는 2년 하반기부터 대량 생산이 시작되는 FinFET 기반 기술 제품으로 남을 것입니다. N2022와 비교하여 N5은 다음을 제공합니다.

• +10-15% 성능(등압)
• -25-30% 전력(등속 성능)
• +70% 논리 밀도
• +20% SRAM 밀도
• +10% 아날로그 밀도

TSMC 재단 IP는 일반적으로 HPC 및 모바일 세그먼트의 고유한 성능 및 논리 밀도를 해결하기 위해 두 개의 표준 셀 라이브러리(서로 다른 트랙 높이)를 제공했습니다. N3의 경우 성능/전력(및 공급 전압 도메인) 범위의 "전체 범위"에 대한 요구로 인해 아래 설명된 것처럼 세 번째 표준 셀 라이브러리가 도입되었습니다.

N3에 대한 설계 지원은 다음 분기에 v1.0 PDK 상태로 진행되고 있으며 2년 3분기/2022분기까지 광범위한 IP 세트가 인증됩니다.

N4는 기존 N5 생산 공정에 대한 독특한 "푸시"입니다. 기존 N5 디자인과 호환되는 광학 축소 기능을 직접 사용할 수 있습니다. 또한 새로운 설계(또는 물리적 재구현에 관심이 있는 기존 설계)의 경우 현재 N5 설계 규칙에 대한 몇 가지 개선 사항과 표준 셀 라이브러리 업데이트가 제공됩니다.

마찬가지로 N6는 EUV 리소그래피(N7+ 이상) 채택이 증가하면서 7nm 제품군의 업데이트입니다. TSMC는 "N7은 5년에도 증가하는 2021G 모바일 및 AI 가속기 설계를 위한 핵심 제품으로 남아 있다"고 밝혔습니다.

• N7HPC 및 N5HPC

HPC 플랫폼의 까다로운 성능 요구 사항은 공칭 프로세스 VDD 제한 이상으로 공급 전압 "오버드라이브"를 적용하려는 고객의 관심을 나타냅니다. TSMC는 아래 그림과 같이 오버드라이브를 지원하는 고유한 "N7HPC"(4Q21) 및 "N5HPC"(2Q22) 프로세스 변형을 제공할 예정입니다.

이러한 HPC 기술에 해당하는 SRAM IP 설계 릴리스가 있을 예정입니다. 예상한 대로 이(한 자릿수 백분율 개선) 성능 옵션에 관심이 있는 설계자는 증가된 정적 누출, BEOL 신뢰성 가속 요소 및 장치 노화 오류 메커니즘을 해결해야 합니다. 개별 플랫폼에 특별히 최적화된 프로세스의 개발 및 검증에 대한 TSMC의 투자는 주목할 만합니다. (마지막 HPC 관련 프로세스 변형은 28nm 노드에 있었습니다.)

• RF 기술

WiFi6/6E 및 5G(6GHz 미만 및 mmWave) 무선 통신에 대한 시장 수요로 인해 TSMC는 RF 장치에 대한 프로세스 최적화에 더 중점을 두었습니다. RF 스위치도 주요 응용 분야입니다. Bluetooth(중요한 디지털 통합 기능 포함)와 같은 저전력 무선 통신 프로토콜도 주목을 받고 있습니다. 자동차 레이더 이미징 시스템의 수요는 의심할 여지 없이 증가할 것입니다. mmWave 애플리케이션은 아래 그림에 요약되어 있습니다.

RF 기술 성능을 설명하는 데 일반적으로 사용되는 두 가지 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

• 장치 Ft("차단 주파수"), 여기서 전류 이득 = 1, 장치 채널 길이 L에 반비례
• 장치 Fmax("최대 발진 주파수"), 전력 이득 = 1, Ft의 제곱근에 비례, Cgd 및 Rg의 제곱근에 반비례

TSMC RF 기술 로드맵은 아래에 나와 있으며 다양한 애플리케이션 부문으로 구분되어 있습니다.

N6RF 프로세스는 심포지엄에서 강조되었습니다. N16FFC-RF와의 장치 성능 비교는 아래와 같습니다.

N28HPC+RF 및 N16FFC-RC 공정도 최근 개선되었습니다. 예를 들어 기생 게이트 저항 Rg의 개선이 강조되었습니다. 저잡음 증폭기(LNA) 애플리케이션을 위해 TSMC는 130nm 및 40nm에서 SOI 제품을 발전시키고 있습니다.

• ULP/ULL 기술

IoT 및 엣지 장치 애플리케이션은 배터리 수명 향상을 위해 ULL(초저누설) 정적 전력 손실과 결합된 매우 낮은 전력 손실(ULP)에서 증가하는 계산 처리량을 요구하면서 더욱 보편화될 것으로 예상됩니다.

TSMC는 ULP 프로세스 변형, 즉 매우 낮은 VDD 공급 전압에서 IP를 위한 작동 기능을 제공했습니다. TSMC는 또한 최적화된 임계 전압을 활용하는 장치/IP를 통해 ULL 솔루션을 활성화했습니다.

IoT(ULP/ULL) 플랫폼 및 프로세스 로드맵에 대한 개요는 다음과 같습니다.

N12e 프로세스 노드는 임베디드 비휘발성 메모리 기술(MRAM 또는 RRAM)을 통합하고 최저 0.55V의 표준 셀 기능을 통합하여 TSMC에서 강조되었습니다(SVT 장치 사용, 낮은 Vt 셀은 더 높은 누설에서 더 낮은 VDD 및 유효 전력을 가능하게 함). . N12e SRAM IP의 Vmin 및 대기 누설 전류를 줄이는 데에도 비슷한 초점이 맞춰졌습니다.

요약

심포지엄에서 TSMC는 HPC, IoT 및 자동차 플랫폼에 대한 특정 최적화가 포함된 몇 가지 새로운 프로세스 개발을 소개했습니다. 새로운 무선 통신 표준의 신속한 채택을 지원하기 위해 RF 기술 향상도 중점을 두고 있습니다. 그리고 확실히 심포지엄에서는 그다지 강조되지 않았지만 고급 주류 프로세스 노드(N7+, N5 및 N3)에 대한 명확한 실행 로드맵이 있으며 중간 노드 릴리스에 반영된 추가적인 지속적인 프로세스 개선이 있습니다. 노드 N6 및 N4.

TSMC의 디지털 기술 로드맵에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하세요. 링크.

-칩 가이

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