Ik was uitgenodigd om een plenaire toespraak te houden op de SISPAD-conferentie in september 2021. Voor iedereen die niet bekend is met SISPAD is het een première TCAD-conferentie. Dit jaar wilde SISPAD voor het eerst de kosten aanpakken en mijn lezing was "Kostensimulaties om PPAC Aware Technology Development mogelijk te maken".
Power, Performance and Area (PPA) is al jaren de standaard in technologieontwikkeling, bijvoorbeeld: tijdens de TSMC 2020-Q4-inkomstenoproep zal N3 30% minder vermogen hebben bij dezelfde prestaties (Power), 15% betere prestaties bij hetzelfde vermogen (Performance) en 70% grotere dichtheid (Area).
Meer recentelijk verhogen de kosten van wafers de noodzaak om kosten toe te voegen als PPAC, Power, Performance, Area en Kosten. Bedrijven zoals TSMC op IEDM 2019 [1], Imec op hun technologieforum in 2020 [2] en Applied Materials op SEMICON West in 2020 [3], en vele anderen houden zich allemaal bezig met PPAC.
De huidige praktijk bij het ontwikkelen van een nieuwe technologie is om initiële PPA-doelen te definiëren, ontwerpen voor PPA-evaluatie te identificeren, een transistorarchitectuur te selecteren, een initiële processtroom te ontwikkelen, transistorprestaties te simuleren en een SPICE-model te extraheren, een standaardcelarchitectuur te selecteren en een celbibliotheek. De celbibliotheek en processtroom worden vervolgens ingevoerd in een simulatiesuite van Design Technology Co Optimization, zoals wordt aangeboden door Synopsys om het proces te simuleren, een 3D-structuur te genereren en de parasitaire netlijst te extraheren. Vervolgens kan de bibliotheek worden gekarakteriseerd, kan een fysiek ontwerp worden gemaakt en kan PPA worden geëvalueerd. De PPA wordt vervolgens geëvalueerd en de ontworpen experiment-iteraties kunnen worden uitgevoerd om de PPA-doelen te bereiken, allemaal in een simulatieomgeving. Wat ontbreekt in dit proces is enig kostenbewustzijn. Als de mogelijkheid om kosten te simuleren wordt toegevoegd aan een DTCO-suite, kan het proces gericht zijn op PPAC en kunnen iteraties worden uitgevoerd in een simulatieomgeving om de PPAC-doelen te bereiken.
Om de kosten nauwkeurig te simuleren, moet rekening worden gehouden met zowel de faciliteit die het proces uitvoert als het proces. Hetzelfde proces in twee verschillende faciliteiten zal verschillende kosten hebben, soms aanzienlijk verschillend. Twee verschillende processen die in dezelfde faciliteit worden uitgevoerd, hebben verschillende kosten, soms aanzienlijk verschillende.
Faciliteit kosten
De ontworpen capaciteit van een fabriek heeft een aanzienlijke invloed op de kosten. Er is een grote verscheidenheid aan doorvoercapaciteiten voor fab-apparatuur en hoe hoger de fab-ontwerpcapaciteit, hoe beter de capaciteitsafstemming van de apparatuurset kan worden bereikt. Dit resulteert in een hogere kapitaalefficiëntie en dus lagere kosten per wafer voor fabrieken met een hogere capaciteit. Afbeelding 1. Illustreert de genormaliseerde waferkosten versus capaciteit voor een greenfield-fabriek met een 5nm-proces in Taiwan.
Afbeelding 1. Waferkosten versus fab-capaciteit.
Het land waar een fabuleus zich bevindt, heeft ook invloed op de kosten. Afbeelding 2 vergelijkt dezelfde fabriek als hierboven beschreven, ontworpen voor 40,000 wafels per maand in zes verschillende landen. De kosten in figuur 2 zijn alleen operationele kosten en bevatten geen incentives.
Figuur 2. Waferkosten versus land.
Een andere kritische kostenfactor is de leeftijd van de fab. Voor een nieuwe fab kan de afschrijving oplopen tot meer dan 60% van de productiekosten van een wafel. Afbeelding 3 illustreert dezelfde fab die eerder is beschreven voor vijf verschillende tijdframes:
- het eerste jaar opvoeren (uitgaande van een gemiddelde bezetting van 50%).
- Jaar twee tot en met vijf wanneer de fabriek wordt opgevoerd, maar de apparatuur nog steeds afschrijft.
- Jaar zes waarin de apparatuur wordt afgeschreven.
- Jaar elf waarin de facilitaire systemen worden afgeschreven.
- Jaar zestien waarin de casco wordt afgeschreven.
Figuur 3. Waferkosten versus fab-leeftijd.
Nauwkeurige kostenmodellering vereist de mogelijkheid om de fabriekscapaciteit, het land en de leeftijd te definiëren.
Proceskosten
Proceskosten beginnen met de startwafel of waferkosten. Modellering moet rekening houden met het feit of de startwafel een gepolijste wafel, een Epi-wafel of een speciale wafel is, zoals een soort SOI. Ook moet modellering rekening houden met meer dan één wafel, bijvoorbeeld voor processen waarbij twee wafels kunnen worden gebruikt en vervolgens aan elkaar kunnen worden gehecht.
Directe arbeidskosten zijn de kosten voor operators om de wafels te verwerken. In de huidige generatie 300 mm fabs zijn er om de paar operators omdat de wafertransportsystemen de frontopening unified pods (FOUP's) rechtstreeks op het gereedschap laten zakken, maar er zijn enkele operators. De arbeidsuren die nodig zijn voor een bepaalde stroom kunnen het meest worden berekend en het juiste arbeidstarief wordt toegepast, afhankelijk van het land waar de fab zich bevindt.
Afschrijving is de grootste afzonderlijke kost bij de fabricage van wafers, voor nieuwe processen die meer dan 60% van de waferkosten vertegenwoordigen (zie figuur 6 hieronder). Nauwkeurige afschrijvingsschattingen vereisen het bepalen van de benodigde apparatuur en doorvoer voor elke stap in de processtroom. Een nauwkeurig model moet de juiste generatie apparatuur voor een proces bepalen, de doorvoer, apparatuurkosten en fysieke ruimte die nodig is voor de apparatuur en een complete set bouwen voor een doelcapaciteit. Een nauwkeurig model moet achtergrondtabellen hebben met apparatuurkosten en configuratie per knooppunt en constructiekosten voor cleanroomruimte om gedetailleerde kapitaalkostenberekeningen mogelijk te maken.
Onderhoudskosten van apparatuur omvatten de kosten voor onderdelen van apparatuur die tijdens de verwerking worden verbruikt, zoals kwartsringen die worden gebruikt in etskamers, reparatieonderdelen om subsystemen van apparatuur te vervangen die kapot gaan tijdens het gebruik van de apparatuur, en tot slot servicecontracten voor apparatuur. Al deze kosten moeten worden geschat voor de apparatuur die tijdens de afschrijvingsberekeningen is bepaald.
Indirecte arbeidskosten omvatten ingenieurs en technici die het proces en de apparatuur onderhouden, supervisors die de directe arbeid beheren en managers die alles overzien. Het personeelsbestand moet worden geschat en de salarissen per land en jaar moeten worden toegepast.
De facilitaire kosten omvatten elektriciteit, water en riolering, ultrapuur wateropwekking, aardgas, facilitair onderhoud, huisvestingskosten en verzekeringen. Veel van deze kosten zijn afhankelijk van het land en het jaar. Een nauwkeurig model heeft achtergrondtabellen per land en jaar nodig en algoritmen om de berekeningen uit te voeren.
Verbruiksgoederen bestaan uit honderden verschillende materialen die door het proces worden verbruikt (deze verschillen van de onderdelen van de apparatuur die tijdens de verwerking worden verbruikt en die worden verantwoord bij het onderhoud van de apparatuur). Procesmaterialen omvatten zaken als bulkgassen, CVD- en ALD-voorlopers, CMP-verbruiksartikelen, PVD-doelen, fotoresist en dradenkruizen en vele andere items. Een nauwkeurig model moet de kosten per jaar hebben voor duizenden doelmaterialen per jaar en het materiaalverbruik per processtap berekenen.
Commerciële implementatie
IC Knowledge is wereldleider op het gebied van kosten- en prijsmodellering voor halfgeleiders en heeft recent processimulatietechnologie ontwikkeld om stapsgewijze procesdefinitie en kostenraming mogelijk te maken (Cost Explorer). Synopsys is een wereldleider op het gebied van TCAD-tools voor technologieontwikkeling en simulatie. IC Knowledge en Synopsys zijn een partnerschap aangegaan om IC Knowledge's Cost Explorer in te bedden in de Synopsys Process Explorer-tool die wordt gebruikt om de fysieke structuur te simuleren die wordt geproduceerd door de doelprocesstroom. Met de Cost Explorer-plug-in voor Process Explorer kunnen gebruikers van Synopsys DTCO-suite PPAC-doelen definiëren en processen ontwerpen om die doelen te bereiken in een virtuele omgeving met behulp van ontworpen experimenten om tegelijkertijd te optimaliseren voor alle vier de elementen van PPAC.
Afbeelding 4 illustreert de IC Knowledge – Synopsys-oplossing.
Figuur 4. Commerciële PPAC TCAD-oplossing.
De huidige tijdlijn voor deze oplossing:
- Huidige status – bètatest bij één klant met door de klant ontwikkeld script om Cost Explorer automatisch te vullen vanuit Process Explorer. Begint de mogelijkheid te tonen om klanten te selecteren.
- Eind 2021 – extern kostenmodel met script (Synopsys-script) om Cost Explorer te vullen vanuit Process Explorer.
- Medio 2022 – volledig geïmplementeerde Process Explorer plug-in en commerciële beschikbaarheid.
Voorbeelden van klanten
Zoals vermeld in de vorige sectie, laten we de oplossing door klanten bètatesten. De klant is een grote OEM die de DTCO-oplossing van Synopsys gebruikt voor technologieontwikkeling. De klant ontwikkelt Complementary FET (CFET) processen als een oplossing van de volgende generatie die verder gaat dan FinFET's en Horizontal Nanosheets (HNS).
Figuur 5 illustreert de wafelkosten uitgesplitst per categorie voor een mogelijke processtroom. In het daadwerkelijke model zijn de resultaten allemaal in dollars en vertegenwoordigen ze een specifieke fabrieks- en procesconfiguratie.
Figuur 5. Waferkosten per categorie.
De OEM wilde evalueren hoe CFET kost in vergelijking met FinFET's. Ze vergeleken een standaard FinFET, een FinFET met een Buried Power Rail (BPR) (BPR maakt een betere dichtheid mogelijk), een monolithische CFET met BPR en een sequentiële CFET waarbij het CFET-proces wordt gesplitst over twee wafers die vervolgens weer aan elkaar worden gehecht. in het werkelijke model zijn de resultaten allemaal in dollars.
Figuur 6. Genormaliseerde waferkosten versus proces.
De belangrijkste conclusie uit figuur 6 is dat het door de OEM ontwikkelde CFET-proces met BPR qua kosten concurrerend is met een FinFET-proces met BPR. Omdat CFET's de nFET- en pFET-apparaten stapelen, bieden ze aanzienlijke dichtheidsverbeteringen ten opzichte van FinFET's.
Een andere conclusie uit figuur 6 is dat het monolithische CFET-proces goedkoper is dan het sequentiële CFET-proces. Het door de OEM ontwikkelde monolithische CFET-proces is in hoge mate zelfgericht en kostengeoptimaliseerd.
Terwijl hij dit werk deed, evalueerde de OEM ook de lithografie-opties voor lokale verbindingen, waarbij twee oplossingen werden vergeleken:
- EUV lokaal verbindingsdoornmasker met EUV-snede en EUV via masker.
- EUV lokaal verbindingsdoornmasker met DUV-snit met meerdere patronen, en EUV via masker.
Omdat de snit met meerdere patronen kan worden geïmplementeerd met een relatief eenvoudig schema met meerdere patronen, ontdekten ze dat ze $ 52 konden besparen, hoewel er enige impact op de cyclustijd zou zijn.
Conclusie
De versnelde kostenstijgingen om geavanceerde wafers te fabriceren, dwingen de noodzaak om over te schakelen van op PPA gebaseerde technologieontwikkeling naar op PPAC gebaseerde technologieontwikkeling. Het partnerschap van IC Knowledge en Synopsys zal de industrie voor het eerst de mogelijkheid bieden om te ontwerpen voor PPAC in een virtuele omgeving voordat er ooit wafers worden gebruikt. Deze mogelijkheid zal een game-wisselaar zijn voor de industrie en de voortdurende evolutie van de wet van Moore mogelijk maken.
Referenties
[1] Geoffrey Yeap van TSMC tijdens Applied Materials IEDM 2019 panel “Logic: EUV is Here , Now What?, “Power Performance Area Cost Time – PPACT where new technologies need to be on-time”.
[2] Luc Van Den Hove, President en CEO van Imec, Imec Technology Forum 2020, "Technologies for People in the New Normal", dia 45, "Scaling Roadmap" "Power – Performance – Area – Cost”.
[3] Applied Materials, "Selective Gap Fill Announcement", SEMICON West 2020, dia 2, "Power, Performance, Area-Cost", inclusief t voor time-to-market.
Deel dit bericht via: Bron: https://semiwiki.com/semiconductor-services/ic-knowledge/304437-sispad-cost-simulations-to-enable-ppac-aware-technology-development/
- 000
- 2019
- 2020
- 2021
- 3d
- Account
- algoritmen
- Alles
- Aankondiging
- architectuur
- GEBIED
- beschikbaarheid
- beta
- Gebouw
- Bellen
- Inhoud
- hoofdstad
- ceo
- commercieel
- Bedrijven
- Conferentie
- bouw
- contracten
- Kosten
- landen
- Actueel
- Klanten
- Het
- Design
- ontwikkelen
- Ontwikkeling
- systemen
- dollar
- aandrijving
- Verdiensten
- inkomensvraag
- rand
- doeltreffendheid
- elektriciteit
- elf
- Ingenieurs
- Milieu
- uitrusting
- schattingen
- Evolutie
- experiment
- Faciliteit
- Fed
- Figuur
- Tot slot
- Voornaam*
- eerste keer
- stroom
- spel
- kloof
- GAS
- hier
- Hoe
- HTTPS
- Honderden
- identificeren
- Impact
- Inclusief
- -industrie
- verzekering
- IT
- sleutel
- kennis
- arbeid
- Groot
- Wet
- leidend
- Bibliotheek
- lokaal
- maken
- Markt
- maskeren
- materieel
- model
- modellering
- Natuurlijk gas
- bieden
- werkzaam
- Opties
- Overige
- Overig
- Samenwerking
- Mensen
- prestatie
- Fysiek
- peulen
- energie
- Belgische Première
- president
- prijs
- geproduceerd
- Spoor
- Resultaten
- lopen
- lopend
- salarissen
- Halfgeleiders
- reeks
- Shell
- Eenvoudig
- simulatie
- ZES
- Oplossingen
- Tussenruimte
- spleet
- Status
- Stap over voor slechts
- Systems
- Taiwan
- doelwit
- Technologies
- Technologie
- Testen
- de wereld
- niet de tijd of
- vervoeren
- gebruikers
- Tegen
- Virtueel
- Water
- West
- Wat is
- WIE
- Mijn werk
- wereld
- jaar
- jaar