Najważniejsze wydarzenia Sympozjum Technologicznego TSMC 2021 – Technologia krzemowa

Niedawno TSMC zorganizowało doroczne sympozjum technologiczne, podczas którego przedstawiono aktualne informacje na temat technologii procesu krzemowego i planu działania w zakresie opakowań. W tym artykule dokonamy przeglądu najważniejszych wydarzeń w zakresie rozwoju procesu krzemowego i przyszłych planów wypuszczenia na rynek.

Kolejne artykuły będą opisywać ofertę opakowań oraz zagłębiać się w rozwój technologii i kwalifikację specjalnie dla sektora motoryzacyjnego. Kilka lat temu TSMC zdefiniowało cztery „platformy”, które miały otrzymać unikalne inwestycje w badania i rozwój w celu optymalizacji konkretnych ofert technicznych: obliczenia o wysokiej wydajności (HPC); mobilny; przetwarzanie brzegowe/IoT (bardzo niski pobór mocy/wycieki); i motoryzacyjny. Koncentracja na rozwoju procesów dla rynku motoryzacyjnego była dominującym tematem Sympozjum i zostanie omówiona w osobnym artykule.

Nawiasem mówiąc, platformy te pozostają podstawą planu działania TSMC. Jednak segment urządzeń mobilnych ewoluował poza smartfony (4G) i objął szerszy zestaw aplikacji. Pojawienie się „cyfrowej transformacji danych” doprowadziło do zwiększonego zapotrzebowania na opcje komunikacji bezprzewodowej pomiędzy urządzeniami brzegowymi a zasobami chmury/centrów danych – np. sieciami WiFi6/6E, 5G/6G (przemysłowymi i metropolitalnymi). W rezultacie TSMC podkreśla swoje inwestycje w rozwój technologii procesowej RF, aby zająć się tym rozwijającym się segmentem.

Ogólne

Oto kilka ogólnych najważniejszych wydarzeń Sympozjum, a następnie ogłoszenia dotyczące konkretnych technologii procesowych.

• szerokość ofert

W 2020 roku TSMC rozszerzyło swoje wsparcie na 281 różnych technologii procesowych, wysyłając 11,617 510 produktów do XNUMX klientów. Podobnie jak w poprzednich latach, TSMC z dumą stwierdziło, że „nigdy nie zamknęliśmy fabryki”.

Obecna wydajność w 2020 r. przekracza 12 mln (odpowiednik 12 cali) płytek, przy inwestycjach w zakresie rozbudowy zarówno zaawansowanych (cyfrowych), jak i specjalistycznych węzłów procesowych.

• inwestycja w sprzęt kapitałowy

TSMC planuje zainwestować łącznie 100 miliardów dolarów w ciągu najbliższych trzech lat, w tym 30 miliardów dolarów w tym roku, aby zaspokoić potrzeby klientów na całym świecie.

Globalne przychody TSMC w 2020 r. wyniosły 47.78 miliarda dolarów – roczne zaangażowanie w wysokości 30 miliardów dolarów w rozwój fabryk z pewnością sugerowałoby oczekiwanie znacznego i długotrwałego wzrostu rynku półprzewodników, szczególnie w przypadku rodzin procesów 7 nm i 5 nm. Na przykład liczba nowych taśm (NTO) dla rodziny 7 nm wzrośnie o 60% w 2021 r.

TSMC rozpoczęło budowę amerykańskiej fabryki w Phoenix w Arizonie – produkcja seryjna w procesie N5 rozpocznie się w 2024 r. (~20 tys. płytek miesięcznie).

• inicjatywy ekologiczne

Fabryki wymagają konsumentów energii elektrycznej, wody i (reaktywnych) chemikaliów. TSMC koncentruje się na przejściu na źródła energii w 100% odnawialne do roku 2050 (25% do roku 2030). Ponadto TSMC inwestuje w systemy recyklingu i oczyszczania „zero odpadów”, przywracając zużytym chemikaliom jakość „klasy elektronicznej”.

Jedna uwaga: nasza branża słynie z cykliczności, charakteryzującej się nasilonymi wzrostami i spadkami gospodarczymi. Jasny komunikat TSMC przedstawiony na sympozjum jest taki, że coraz szybsze wdrażanie półprzewodników na wszystkich platformach – od centrów obliczeniowych intensywnie przetwarzających dane, przez komunikację bezprzewodową/mobilną, systemy motoryzacyjne po urządzenia o niskim poborze mocy – będzie kontynuowane w dającej się przewidzieć przyszłości.

Mapa drogowa technologii procesowej

• N7/N7+/N6/N5/N4/N3

Poniższy rysunek podsumowuje plan rozwoju zaawansowanych technologii.

N7+ oznacza wprowadzenie litografii EUV do podstawowego procesu N7. N5 jest produkowany seryjnie od 2020 roku.

N3 pozostanie ofertą technologii opartą na FinFET, a produkcja masowa rozpocznie się w drugiej połowie 2 r. W porównaniu do N2022, N5 zapewni:

• +10-15% wydajności (iso-moc)
• -25-30% mocy (izo-wydajność)
• +70% gęstości logicznej
• +20% gęstości pamięci SRAM
• +10% gęstości analogowej

Fundacja TSMC IP zwykle oferuje dwie standardowe biblioteki komórek (o różnych wysokościach ścieżek), aby uwzględnić wyjątkową wydajność i gęstość logiczną segmentów HPC i mobilnych. W przypadku N3 potrzeba „pełnego pokrycia” zakresu wydajności/mocy (i domeny napięcia zasilania) doprowadziła do wprowadzenia trzeciej standardowej biblioteki komórek, jak pokazano poniżej.

Możliwość projektowania dla N3 będzie w przyszłym kwartale osiągać status wersji 1.0 PDK, a szeroki zestaw adresów IP zostanie zakwalifikowany do przełomu 2/3 kwartału 2022 r.

N4 stanowi wyjątkowe „napchnięcie” istniejącego procesu produkcyjnego N5. Optyczny termokurczliwy jest bezpośrednio dostępny, kompatybilny z istniejącymi konstrukcjami N5. Dodatkowo w przypadku nowych projektów (lub istniejących projektów zainteresowanych fizyczną ponowną implementacją) dostępne są pewne ulepszenia bieżących zasad projektowania N5 i aktualizacja standardowych bibliotek komórek.

Podobnie N6 jest aktualizacją rodziny 7 nm, w której coraz częściej stosuje się litografię EUV (w porównaniu z N7+). TSMC wskazało: „N7 pozostanie kluczową ofertą dla rosnącej liczby projektów akceleratorów urządzeń mobilnych 5G i sztucznej inteligencji w 2021 r.”

• N7HPC i N5HPC

Oznaką wysokich wymagań wydajnościowych platformy HPC jest zainteresowanie klientów zastosowaniem „nadbiegu” napięcia zasilania powyżej nominalnego limitu VDD procesu. TSMC będzie oferować unikalne warianty procesów „N7HPC” (4Q21) i „N5HPC” (2Q22) obsługujące overdrive, jak pokazano poniżej.

Dla tych technologii HPC zostanie wydana odpowiednia wersja projektu SRAM IP. Zgodnie z oczekiwaniami projektanci zainteresowani tą opcją wydajności (jednocyfrowa poprawa procentowa) będą musieli zająć się zwiększonym wyciekiem statycznym, czynnikami przyspieszającymi niezawodność BEOL i mechanizmami awarii starzenia się urządzenia. Na uwagę zasługuje inwestycja TSMC w rozwój i kwalifikację procesów specjalnie zoptymalizowanych dla poszczególnych platform. (Ostatni wariant procesu specyficzny dla HPC dotyczył węzła 28 nm.)

• Technologia RF

Zapotrzebowanie rynku na komunikację bezprzewodową WiFi6/6E i 5G (sub-6 GHz i mmWave) skłoniło TSMC do zwiększenia nacisku na optymalizację procesów dla urządzeń RF. Przełączniki RF są również kluczowym obszarem zastosowań. W centrum uwagi znajdują się również protokoły komunikacji bezprzewodowej małej mocy, takie jak Bluetooth (ze znaczną funkcjonalnością integracji cyfrowej). Bez wątpienia zapotrzebowanie na systemy obrazowania radarowego w pojazdach będzie rosło. Podsumowanie aplikacji mmWave przedstawiono na poniższym rysunku.

Dwa kluczowe parametry zwykle używane do opisu wydajności technologii RF to:

• urządzenie Ft („częstotliwość odcięcia”), gdzie wzmocnienie prądu = 1, odwrotnie proporcjonalne do długości kanału urządzenia, L
• urządzenie Fmax („maksymalna częstotliwość oscylacji”), gdzie wzmocnienie mocy = 1, proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z Ft, odwrotnie proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z Cgd i Rg

Poniżej przedstawiono plan działania technologii TSMC RF, podzielony na różne segmenty zastosowań.

Na Sympozjum podkreślono proces N6RF – poniżej przedstawiono porównanie wydajności urządzenia z N16FFC-RF.

Procesy N28HPC+RF i N16FFC-RC również zostały niedawno udoskonalone – na przykład podkreślono poprawę rezystancji bramki pasożytniczej Rg. W przypadku zastosowań ze wzmacniaczami niskoszumowymi (LNA) TSMC rozwija swoją ofertę SOI w zakresie 130 nm i 40 nm.

• Technologie ULP/ULL

Przewiduje się, że aplikacje Internetu Rzeczy i urządzeń brzegowych staną się bardziej powszechne, wymagając zwiększonej przepustowości obliczeniowej przy bardzo niskim rozpraszaniu mocy (ULP) w połączeniu z rozpraszaniem mocy statycznej o bardzo niskim wycieku (ULL) w celu wydłużenia żywotności baterii.

TSMC dostarczyło warianty procesu ULP – tj. funkcjonalność operacyjną dla protokołu IP przy bardzo niskim napięciu zasilania VDD. TSMC udostępniło również rozwiązania ULL, w których urządzenia/IP wykorzystują zoptymalizowane napięcia progowe.

Poniżej znajduje się przegląd platformy IoT (ULP/ULL) i planu działania procesu.

TSMC zwróciło uwagę na węzeł procesowy N12e, integrujący wbudowaną technologię pamięci nieulotnej (MRAM lub RRAM) ze standardową funkcjonalnością ogniwa do 0.55 V (przy użyciu urządzeń SVT; ogniwa o niskim Vt umożliwiłyby niższe VDD i moc czynną przy większym wycieku). . W podobny sposób skupiono się również na zmniejszeniu prądu upływu Vmin i prądu upływu w trybie gotowości N12e SRAM IP.

Podsumowanie

Na sympozjum TSMC przedstawiło kilka nowych udoskonaleń procesów, ze szczególnymi optymalizacjami dla platform HPC, IoT i motoryzacyjnych. W centrum uwagi znajdują się także udoskonalenia technologii RF, wspierające szybkie przyjęcie nowych standardów komunikacji bezprzewodowej. I, z pewnością, chociaż nie poświęcono temu zbyt wiele uwagi na Sympozjum, istnieje jasny plan wykonania dla zaawansowanych węzłów procesów głównego nurtu – N7+, N5 i N3 – z dodatkowymi ciągłymi ulepszeniami procesów, co znajduje odzwierciedlenie w wydaniu półproduktów węzły N6 i N4.

Więcej informacji na temat planu działania TSMC w zakresie technologii cyfrowych można znaleźć tutaj link.

-chipguś

Udostępnij ten post przez: Źródło: https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/299944-highlights-of-the-tsmc-technology-symposium-2021-silicon-technology/