Høydepunkter fra TSMC Technology Symposium 2021 - Silicon Technology

Nylig holdt TSMC sitt årlige teknologisymposium, og ga en oppdatering om silisiumprosessteknologien og pakkeveikartet. Denne artikkelen vil gjennomgå høydepunktene i utviklingen av silisiumprosessen og fremtidige utgivelsesplaner.

Påfølgende artikler vil beskrive emballasjetilbudene og dykke ned i teknologiutvikling og kvalifisering spesifikt for bilindustrien. For flere år siden definerte TSMC fire "plattformer" som ville motta unike FoU-investeringer for å optimere spesifikke tekniske tilbud: høy ytelse databehandling (HPC); mobil; Edge/IoT-databehandling (ultra-lav strøm/lekkasje); og bilindustrien. Fokus på prosessutvikling for bilmarkedet var et utbredt tema på symposiet, og vil bli omtalt i en egen artikkel.

Parentetisk forblir disse plattformene grunnlaget for TSMCs veikart. Likevel har mobilsegmentet utviklet seg utover (4G) smarttelefoner til å omfatte et bredere sett med applikasjoner. Fremveksten av "digital datatransformasjon" har ført til økt etterspørsel etter trådløse kommunikasjonsalternativer mellom edge-enheter og sky-/datasenterressurser – for eksempel WiFi6/6E, 5G/6G (industrielle og storby-) nettverk. Som et resultat, legger TSMC vekt på sin investering i utvikling av RF-prosessteknologi, for å adressere dette ekspanderende segmentet.

general

Her er noen generelle høydepunkter fra symposiet, etterfulgt av spesifikke prosessteknologikunngjøringer.

• bredde av tilbud

I 2020 utvidet TSMC støtten til å omfatte 281 forskjellige prosessteknologier, og sendte 11,617 510 produkter til XNUMX kunder. Som tidligere år uttalte TSMC stolt "vi har aldri lagt ned en fab."

Nåværende kapasitet i 2020 overstiger 12M (12” ekvivalente) wafere, med utvidelsesinvesteringer for både avanserte (digitale) og spesialprosessnoder.

• investeringer i kapitalutstyr

TSMC planlegger å investere totalt 100 milliarder dollar i løpet av de neste tre årene, inkludert 30 milliarder dollar i kapitalutgifter i år, for å støtte globale kundebehov.

TSMCs globale 2020-inntekter var $47.78 milliarder – den årlige forpliktelsen på $30 milliarder til stor ekspansjon ville absolutt antyde en forventning om betydelig og utvidet halvledermarkedsvekst, spesielt for 7nm- og 5nm-prosessfamiliene. For eksempel vil nye tapeouts (NTO-er) for 7nm-familien øke med 60 % i 2021.

TSMC har begynt byggingen av en amerikansk fabrikk i Phoenix, AZ – volumproduksjon av N5-prosessen vil starte i 2024 (~20K wafere per måned).

• miljøtiltak

Fabs er krevende forbrukere av elektrisitet, vann og (reaktive) kjemikalier. TSMC er fokusert på overgang til 100 % fornybare energikilder innen 2050 (25 % innen 2030). I tillegg investerer TSMC i "zero waste" resirkulerings- og rensesystemer, og returnerer brukte kjemikalier til "elektronisk kvalitet".

En advarsel... Bransjen vår er kjent syklisk, med forsterkede økonomiske oppturer og nedgangstider. Det klare budskapet fra TSMC på symposiet er at den akselererende bruken av halvledere på tvers av alle plattformer – fra dataintensive beregningssentre til trådløs/mobil kommunikasjon til bilsystemer til enheter med lav effekt – vil fortsette i overskuelig fremtid.

Prosessteknologi veikart

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

Figuren nedenfor oppsummerer veikartet for avansert teknologi.

N7+ representerer introduksjonen av EUV-litografi til N7-prosessen. N5 har vært i volumproduksjon siden 2020.

N3 vil forbli et FinFET-basert teknologitilbud, med volumproduksjon som starter i 2H2022. Sammenlignet med N5 vil N3 gi:

• +10-15 % ytelse (iso-power)
• -25-30 % kraft (iso-ytelse)
• +70 % logikktetthet
• +20 % SRAM-tetthet
• +10 % analog tetthet

TSMC Foundation IP har ofte tilbudt to standard cellebiblioteker (med forskjellige sporhøyder) for å adressere den unike ytelsen og logiske tettheten til HPC- og mobilsegmentene. For N3 har behovet for "full dekning" av ytelse/strøm (og forsyningsspenningsdomene) ført til introduksjonen av et tredje standard cellebibliotek, som vist nedenfor.

Designaktivering for N3 går mot v1.0 PDK-status neste kvartal, med et bredt sett med IP kvalifisert innen 2Q/3Q 2022.

N4 er et unikt "push" til den eksisterende N5-produksjonsprosessen. En optisk krympe er direkte tilgjengelig, kompatibel med eksisterende N5-design. I tillegg, for nye design (eller eksisterende design som er interessert i å forfølge en fysisk re-implementering), er det noen tilgjengelige forbedringer til gjeldende N5-designregler og en oppdatering av standard cellebiblioteker.

På samme måte er N6 en oppdatering til 7nm-familien, med økende bruk av EUV-litografi (over N7+). TSMC indikerte, "N7 er fortsatt et nøkkeltilbud for det økende antallet 5G-mobil- og AI-akseleratordesign i 2021."

• N7HPC og N5HPC

En indikasjon på de krevende ytelseskravene til HPC-plattformen er kundens interesse i å bruke forsyningsspenning "overdrive", over den nominelle prosess VDD-grensen. TSMC vil tilby unike "N7HPC" (4Q21) og "N5HPC" (2Q22) prosessvarianter som støtter overdrive, som illustrert nedenfor.

Det vil være en tilsvarende SRAM IP-designutgivelse for disse HPC-teknologiene. Som forventet, vil designere som er interessert i dette (énsifrede prosentvise forbedringen) ytelsesalternativet måtte ta tak i økt statisk lekkasje, BEOL-pålitelighetsakselerasjonsfaktorer og mekanismer for aldringsfeil. TSMCs investering i utvikling og kvalifisering av prosesser spesifikt optimalisert for individuelle plattformer er bemerkelsesverdig. (Den siste HPC-spesifikke prosessvarianten var på 28nm-noden.)

• RF-teknologi

Markedsetterspørselen etter WiFi6/6E og 5G (sub-6GHz og mmWave) trådløs kommunikasjon har ført til at TSMC har økt fokus på prosessoptimaliseringer for RF-enheter. RF-svitsjer er også et sentralt bruksområde. Trådløse kommunikasjonsprotokoller med lav effekt, for eksempel Bluetooth (med betydelig digital integreringsfunksjonalitet) er også et fokus. Bilradaravbildningssystemer vil uten tvil oppleve økende etterspørsel. mmWave-applikasjonene er oppsummert i figuren nedenfor.

De to nøkkelparametrene som vanligvis brukes for å beskrive ytelsen til RF-teknologi er:

• enhet Ft ("grensefrekvens"), der strømforsterkning = 1, omvendt proporsjonal med enhetens kanallengde, L
• enhet Fmax ("maksimal oscillasjonsfrekvens"), hvor effektforsterkning = 1, proporsjonal med kvadratroten av Ft, omvendt proporsjonal med kvadratroten av Cgd og Rg

Veikartet for TSMC RF-teknologi er vist nedenfor, delt inn i ulike applikasjonssegmenter.

N6RF-prosessen ble fremhevet på symposiet - en enhetsytelsessammenligning med N16FFC-RF er vist nedenfor.

N28HPC+RF- og N16FFC-RC-prosessene mottok også nylig forbedringer – for eksempel ble forbedringer i parasittisk portmotstand, Rg, fremhevet. For lavstøyforsterkerapplikasjoner (LNA) utvikler TSMC sine SOI-tilbud på 130nm og 40nm.

• ULP/ULL-teknologier

IoT- og edge-enhetsapplikasjoner er spådd å bli mer gjennomgripende, og krever økende beregningsgjennomstrømning ved svært lavt strømforbruk (ULP) kombinert med ultralav lekkasje (ULL) statisk strømtap for forbedret batterilevetid.

TSMC har levert ULP-prosessvarianter – dvs. driftsfunksjonalitet for IP ved svært lav VDD-forsyningsspenning. TSMC har også aktivert ULL-løsninger, med enheter/IP som bruker optimaliserte terskelspenninger.

En oversikt over IoT (ULP/ULL)-plattformen og prosessveikartet er gitt nedenfor.

N12e-prosessnoden ble fremhevet av TSMC, som integrerte en innebygd ikke-flyktig minneteknologi (MRAM eller RRAM), med standard cellefunksjonalitet ned til 0.55V (ved bruk av SVT-enheter; lav Vt-celler ville muliggjøre lavere VDD og aktiv effekt ved høyere lekkasje) . Sammenliknende fokus har blitt satt for å redusere Vmin og standby-lekkasjestrøm for N12e SRAM IP også.

Oppsummering

På symposiet introduserte TSMC flere nye prosessutviklinger, med spesifikke optimaliseringer for HPC, IoT og bilplattformer. Forbedringer av RF-teknologi er også et fokus, til støtte for rask innføring av nye trådløse kommunikasjonsstandarder. Og, for å være sikker, selv om det ikke fikk mye vekt på symposiet, er det et klart utførelsesveikart for de avanserte mainstream-prosessnodene – N7+, N5 og N3 – med ytterligere kontinuerlige prosessforbedringer som gjenspeiles i utgivelsen av mellomliggende prosess nodene N6 og N4.

For mer informasjon om TSMCs veikart for digital teknologi, vennligst følg dette link.

-chipguy

Del dette innlegget via: Kilde: https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/299944-highlights-of-the-tsmc-technology-symposium-2021-silicon-technology/