Hoogtepunten van het TSMC Technology Symposium 2021 – Silicon Technology

Onlangs hield TSMC hun jaarlijkse technologiesymposium, met een update over de siliciumprocestechnologie en de routekaart voor verpakkingen. In dit artikel worden de hoogtepunten van de siliciumprocesontwikkelingen en toekomstige releaseplannen besproken.

Volgende artikelen zullen het verpakkingsaanbod beschrijven en dieper ingaan op de technologische ontwikkeling en kwalificatie specifiek voor de automobielsector. Enkele jaren geleden definieerde TSMC vier ‘platforms’ die unieke R&D-investeringen zouden ontvangen om specifieke technische aanbiedingen te optimaliseren: high performance computing (HPC); mobiel; edge/IoT-computing (ultralaag stroomverbruik/lekkage); en automobiel. De focus op procesontwikkeling voor de automotive markt was een overheersend thema op het symposium en zal in een apart artikel worden behandeld.

Tussen haakjes: deze platforms blijven de basis van de roadmap van TSMC. Toch is het mobiele segment verder geëvolueerd dan (4G) smartphones en omvat het een bredere reeks toepassingen. De opkomst van de “digitale datatransformatie” heeft geleid tot een toegenomen vraag naar draadloze communicatie-opties tussen edge-apparaten en cloud-/datacenterbronnen – bijvoorbeeld WiFi6/6E, 5G/6G (industriële en grootstedelijke) netwerken. Als gevolg hiervan benadrukt TSMC hun investeringen in de ontwikkeling van RF-procestechnologie om dit groeiende segment aan te pakken.

Algemeen

Hier volgen enkele algemene hoogtepunten van het symposium, gevolgd door specifieke aankondigingen op het gebied van procestechnologie.

• breedte van het aanbod

In 2020 breidde TSMC zijn ondersteuning uit naar 281 verschillende procestechnologieën, waarbij 11,617 producten naar 510 klanten werden verzonden. Net als in voorgaande jaren verklaarde TSMC trots: “we hebben nog nooit een fabriek gesloten.”

De huidige capaciteit in 2020 bedraagt ​​meer dan 12 miljoen wafers (equivalent van 12 inch), met uitbreidingsinvesteringen voor zowel geavanceerde (digitale) als gespecialiseerde procesknooppunten.

• investeringen in kapitaalgoederen

TSMC is van plan de komende drie jaar in totaal 100 miljard dollar te investeren, inclusief 30 miljard dollar aan kapitaaluitgaven dit jaar, om de wereldwijde behoeften van klanten te ondersteunen.

De wereldwijde omzet van TSMC in 2020 bedroeg $47.78 miljard – de jaarlijkse inzet van $30 miljard voor de uitbreiding van de fabriek zou zeker wijzen op een verwachting van aanzienlijke en uitgebreide groei van de halfgeleidermarkt, vooral voor de 7nm- en 5nm-procesfamilies. Het aantal nieuwe tapeouts (NTO's) voor de 7nm-familie zal in 60 bijvoorbeeld met 2021% stijgen.

TSMC is begonnen met de bouw van een Amerikaanse fabriek in Phoenix, Arizona. De volumeproductie van het N5-proces zal in 2024 beginnen (~20 wafers per maand).

• milieu-initiatieven

Fabs eisen consumenten van elektriciteit, water en (reactieve) chemicaliën. TSMC richt zich op de transitie naar 100% hernieuwbare energiebronnen in 2050 (25% in 2030). Daarnaast investeert TSMC in ‘zero waste’-recycling- en zuiveringssystemen, waardoor gebruikte chemicaliën worden teruggebracht naar ‘elektronische kwaliteit’.

Eén waarschuwing… Onze sector staat bekend om zijn cyclische karakter, met versterkte economische oplevingen en neergangen. De duidelijke boodschap van TSMC op het symposium is dat de versnelde acceptatie van halfgeleiders op alle platforms – van data-intensieve rekencentra tot draadloze/mobiele communicatie, tot autosystemen tot apparaten met een laag vermogen – in de nabije toekomst zal voortduren.

Routekaart voor procestechnologie

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

De onderstaande figuur vat de roadmap voor geavanceerde technologie samen.

N7+ vertegenwoordigt de introductie van EUV-lithografie in het basis N7-proces. N5 is sinds 2020 in serieproductie.

N3 blijft een op FinFET gebaseerd technologieaanbod, met volumeproductie vanaf de tweede helft van 2. Vergeleken met N2022 biedt N5:

• +10-15% prestatie (iso-vermogen)
• -25-30% vermogen (iso-prestaties)
• +70% logische dichtheid
• +20% SRAM-dichtheid
• +10% analoge dichtheid

TSMC foundation IP heeft gewoonlijk twee standaard celbibliotheken (met verschillende spoorhoogtes) aangeboden om tegemoet te komen aan de unieke prestaties en logische dichtheid van de HPC- en mobiele segmenten. Voor N3 heeft de behoefte aan “volledige dekking” van het bereik prestatie/vermogen (en voedingsspanningsdomein) geleid tot de introductie van een derde standaard celbibliotheek, zoals hieronder weergegeven.

Ontwerpmogelijkheden voor N3 evolueren volgend kwartaal naar de v1.0 PDK-status, met een brede reeks IP-kwalificaties tegen 2Q/3Q 2022.

N4 is een unieke ‘push’ op het bestaande N5-productieproces. Er is direct een optische krimp beschikbaar, compatibel met bestaande N5-ontwerpen. Bovendien zijn er voor nieuwe ontwerpen (of bestaande ontwerpen die geïnteresseerd zijn in een fysieke herimplementatie) enkele verbeteringen beschikbaar aan de huidige N5-ontwerpregels en een update van de standaard celbibliotheken.

Op dezelfde manier is N6 een update van de 7nm-familie, met een toenemende acceptatie van EUV-lithografie (vergeleken met N7+). TSMC gaf aan: “N7 blijft een belangrijk aanbod voor het toenemende aantal 5G mobiele en AI-versnellerontwerpen in 2021.”

• N7HPC en N5HPC

Een indicatie van de veeleisende prestatie-eisen van het HPC-platform is de interesse van de klant in het toepassen van “overdrive” van de voedingsspanning, boven de nominale proces-VDD-limiet. TSMC zal unieke “N7HPC” (4Q21) en “N5HPC” (2Q22) procesvarianten aanbieden die overdrive ondersteunen, zoals hieronder geïllustreerd.

Er komt een overeenkomstige SRAM IP-ontwerprelease voor deze HPC-technologieën. Zoals verwacht zullen ontwerpers die geïnteresseerd zijn in deze prestatieoptie (een procentuele verbetering van één cijfer) rekening moeten houden met verhoogde statische lekkage, BEOL-betrouwbaarheidsversnellingsfactoren en faalmechanismen bij veroudering van apparaten. De investering van TSMC in de ontwikkeling en kwalificatie van processen die specifiek zijn geoptimaliseerd voor individuele platforms is opmerkelijk. (De laatste HPC-specifieke procesvariant bevond zich op het 28nm-knooppunt.)

• RF-technologie

De marktvraag naar WiFi6/6E en 5G (sub-6GHz en mmWave) draadloze communicatie heeft ertoe geleid dat TSMC zich meer heeft gaan richten op procesoptimalisaties voor RF-apparaten. RF-schakelaars zijn ook een belangrijk toepassingsgebied. Draadloze communicatieprotocollen met een laag vermogen, zoals Bluetooth (met aanzienlijke digitale integratiefunctionaliteit), zijn ook een aandachtspunt. Radarbeeldsystemen voor auto's zullen ongetwijfeld een groeiende vraag ervaren. De mmWave-toepassingen zijn samengevat in onderstaande figuur.

De twee belangrijkste parameters die doorgaans worden gebruikt om de prestaties van RF-technologie te beschrijven zijn:

• apparaat Ft ("afsnijfrequentie"), waarbij de huidige versterking = 1, omgekeerd evenredig met de kanaallengte van het apparaat, L
• apparaat Fmax (“maximale oscillatiefrequentie”), waarbij vermogensversterking = 1, evenredig met de vierkantswortel van Ft, omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van Cgd en Rg

Hieronder wordt de TSMC RF-technologie roadmap weergegeven, onderverdeeld in verschillende toepassingssegmenten.

Het N6RF-proces werd tijdens het symposium benadrukt – hieronder wordt een vergelijking van de apparaatprestaties met N16FFC-RF weergegeven.

De N28HPC+RF- en N16FFC-RC-processen hebben onlangs ook verbeteringen ondergaan – verbeteringen in de parasitaire poortweerstand, Rg, werden bijvoorbeeld benadrukt. Voor toepassingen met geluidsarme versterkers (LNA) ontwikkelt TSMC zijn SOI-aanbod op 130 nm en 40 nm.

• ULP/ULL-technologieën

Er wordt verwacht dat IoT- en edge-apparaattoepassingen steeds wijdverspreider zullen worden en een toenemende rekencapaciteit zullen vereisen bij een zeer lage vermogensdissipatie (ULP) in combinatie met statische vermogensdissipatie met ultra-lage lekkage (ULL) voor een langere levensduur van de batterij.

TSMC heeft ULP-procesvarianten geleverd, dat wil zeggen operationele functionaliteit voor IP bij een zeer lage VDD-voedingsspanning. TSMC heeft ook ULL-oplossingen mogelijk gemaakt, waarbij apparaten/IP gebruik maken van geoptimaliseerde drempelspanningen.

Hieronder vindt u een overzicht van het IoT (ULP/ULL)-platform en de procesroadmap.

Het N12e-procesknooppunt werd benadrukt door TSMC, waarbij een ingebedde niet-vluchtige geheugentechnologie (MRAM of RRAM) werd geïntegreerd, met standaard celfunctionaliteit tot 0.55 V (met behulp van SVT-apparaten; lage Vt-cellen zouden een lagere VDD en actief vermogen bij hogere lekkage mogelijk maken) . Er is vergelijkbare aandacht besteed aan het verminderen van de Vmin en de standby-lekstroom van N12e SRAM IP.

Samengevat

Tijdens het symposium introduceerde TSMC verschillende nieuwe procesontwikkelingen, met specifieke optimalisaties voor HPC-, IoT- en automotive-platforms. Verbeteringen in de RF-technologie zijn ook een aandachtspunt, ter ondersteuning van de snelle adoptie van nieuwe draadloze communicatiestandaarden. En hoewel er op het symposium niet veel nadruk op werd gelegd, is er zeker een duidelijke uitvoeringsroutekaart voor de geavanceerde reguliere procesknooppunten – N7+, N5 en N3 – met aanvullende voortdurende procesverbeteringen, zoals weerspiegeld in de release van tussenliggende knooppunten N6 en N4.

Voor meer informatie over de routekaart voor digitale technologie van TSMC kunt u deze volgen link.

-chipman

Deel dit bericht via: Bron: https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/299944-highlights-of-the-tsmc-technology-symposium-2021-silicon-technology/